專利名稱：一種聲學聚焦換能裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電信號轉換為聲信號，以及聲信號聚焦的技術領域，具體來說，涉及一種聲學聚焦換能裝置。
背景技術：
聲學聚焦換能器被廣泛用于材料分析、聲學顯微成像、遙測遙控等領域。大多聲學聚焦換能器利用輸入的電信號產生的不同形式驅動力，帶動振膜振動，實現(xiàn)電信號轉換為聲信號，再通過聲學透鏡等手段將聲信號聚焦。在申請?zhí)枮?00420003466. 9的中國專利申請文件中，公開了一種減小主瓣寬度并延長景深的聲學聚焦換能器，該換能器由引線、聲學透鏡和壓電薄膜組成，其壓電薄膜的兩面分別鍍有圓形電極和環(huán)形電極，其圓形電極同聲學透鏡的平面端連接，脈沖調制的微波信號通過引線分別施加壓電薄膜的兩個電極上，在壓電薄膜中激發(fā)出機械振動，該振動通過聲學透鏡被匯聚到焦點區(qū)域內。該專利申請文件中，采用的就是傳統(tǒng)聲學聚焦換能器，即具有振動部件(壓電薄膜)的聲學聚焦換能器。傳統(tǒng)聲學聚焦換能器制作工藝復雜、并且長期使用過程中振膜易受潮、壓電陶瓷部件會出現(xiàn)疲勞以致破裂。傳統(tǒng)聲學聚焦換能器中諸如壓電薄膜等振動部件的工作性能不穩(wěn)定、使用過程中易損壞，從而限制了傳統(tǒng)聲學聚焦換能器的發(fā)展。

發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種聲學聚焦換能裝置，利用電熱材料焦耳效應、氣體的熱脹冷縮原理和凹面聚焦特性，將輸入電信號轉換為聲信號，并實現(xiàn)對聲信號進行聚焦的裝置，在該裝置中省略了傳統(tǒng)聲學聚焦換能裝置中的振動部件，從而提高了聲學聚焦換能裝置的工作穩(wěn)定性，延長整個裝置的使用壽命。技術方案為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是聲學聚焦換能裝置，包括信號源、導線和熱致聲輻射源，其中，所述的熱致聲輻射源包括加熱層、電絕緣層和支撐塊，支撐塊的一面設置為曲面，電絕緣層覆蓋在支撐塊的曲面的表面，加熱層覆蓋在電絕緣層的表面，并且加熱層是具有焦點的曲面；所述的導線分別連接信號源和熱致聲輻射源的加熱層，使導線、信號源和加熱層構成一閉合電路。有益效果與現(xiàn)有技術相比，采用本發(fā)明的技術方案的有益效果是提高了聲學聚焦換能裝置的工作穩(wěn)定性，延長整個裝置的使用壽命。傳統(tǒng)的聲學聚焦換能裝置包括了振動部件，通過振動部件來實現(xiàn)電信號向聲信號的轉換，以及聲信號的聚焦。而本技術方案從另一種角度出發(fā)，利用電熱材料焦耳效應、氣體的熱脹冷縮原理和凹面聚焦特性，將輸入電信號轉換為聲信號，并實現(xiàn)對聲信號進行聚焦。本技術方案中僅設置了信號源、導線和熱致聲輻射源，整個裝置結構簡單。同時，本技術方案的聲學聚焦換能裝置不包含任何振動部件，從而減少了電信號轉換為聲信號的中間處理環(huán)節(jié)，提高了整個裝置的工作穩(wěn)定性，延長了整個裝置的使用壽命。另外，本技術方案中的信號源是具有調節(jié)輸出功率功能的函數(shù)信號發(fā)生器，所以聲學聚焦換能裝置的工作頻率和工作功率可選擇。根據(jù)實驗要求，聲學聚焦換能裝置的大小也可以根據(jù)需要做任意的改變，容易滿足實驗要求。本技術方案的聲學聚焦換能裝置在材料分析、聲學顯微成像、航空航天，軍事等領域有著廣泛的應用前景。


圖1是本發(fā)明的結構示意圖。圖2是本發(fā)明中的熱致聲輻射源的俯視圖。圖3是圖2中的A-A剖視圖。圖中有信號源1、加熱層2、電絕緣層3、支撐塊4、導線5、熱致聲輻射源6。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明。如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明的一種聲學聚焦換能裝置，包括信號源1、導線5 和熱致聲輻射源6。熱致聲輻射源6是將加熱層2產生的熱能轉換為聲能，并將聲波輻射出去的一種聲源裝置。熱致聲輻射源6包括加熱層2、電絕緣層3和支撐塊4。支撐塊4的一面為曲面。該曲面可以設置在支撐塊4的側面。優(yōu)選在支撐塊4的頂面設置曲面，這樣便于聲學聚焦換能裝置進行電信號轉換為聲信號，以及聲信號聚焦的操作。電絕緣層3覆蓋在支撐塊4的曲面的表面，加熱層2覆蓋在電絕緣層3的表面。這樣，電絕緣層3嵌至在支撐塊4和加熱層2之間。加熱層2為具有焦點的曲面，例如可以是拋物面或者凹球面。由于加熱層2覆蓋在電絕緣層3上，電絕緣層3覆蓋在支撐塊4中的曲面上，所以，當支撐塊 4的一側為拋物面或凹球面時，電絕緣層3和加熱層2也相應地為拋物面或凹球面。導線5 分別連接信號源1和熱致聲輻射源6的加熱層2，使導線5、信號源1和加熱層2構成一閉合電路。上述結構的聲學聚焦換能裝置的制作過程是首先選擇一側具有凹球面的鐵塊作為支撐塊4，然后在支撐塊4的凹球面涂摸一層厚為2mm、導熱率為1.2 W / (πι·Κ)，工作溫度為-55°C +250°C的耐高溫絕緣膠作為電絕緣層3，隨后將若干段寬1. 5mm、厚為0. 05mm 的鎳鉻合金電熱材料條以串聯(lián)的方式粘貼于電絕緣層3的表面，相鄰鎳鉻合金電熱材料條的間隙為0. 2mm,從而形成一表面為凹球面的加熱層2。上述結構的聲學聚焦換能裝置的工作原理及過程是信號源1產生的具有一定周期和功率的電信號。當信號源1通過導線5與熱致聲輻射源6中的加熱層2相連接時，由信號源1輸出波形為正弦或矩形的電信號接入加熱層2中。加熱層2會產生瞬時的熱信號， 促使加熱層2表面的氣體產生與熱信號變化相一致的壓力振蕩，從而形成聲信號并向外輻射。也就是說，利用加熱層2的電熱材料焦耳效應及電熱材料足夠薄、熱慣性足夠小特點， 使電熱材料產生瞬時響應的熱功率信號，并利用加熱層2與其表面氣體之間的熱傳導及氣體熱脹冷縮原理，使加熱層2表面的氣體產生壓力振蕩，從而電信號沿加熱層2表面法線方向會輻射出與輸入電信號相對應的聲信號，實現(xiàn)了電信號轉換為聲信號。利用加熱層2的曲面結構聚焦作用，使沿加熱層2表面法向方向輻射出的聲信號在拋物面或凹球面的焦點區(qū)域聚焦，此區(qū)域內聲信號強度要大于其它區(qū)域的聲信號強度，從而實現(xiàn)了輻射聲信號的聚焦ο進一步，所述信號源1是具有調節(jié)輸出功率功能的函數(shù)信號發(fā)生器。例如采用型號為TO1601P型的功率函數(shù)信號發(fā)生器。通過調節(jié)功率函數(shù)信號發(fā)生器的功率輸出旋鈕， 可達到調節(jié)熱致聲輻射源6輸出聲信號強度的目的。進一步，如圖2所示，所述的加熱層2是由電熱材料條依次串接組成，并且相鄰電熱材料條之間有間隙。相鄰電熱材料條之間的連接可采用導線通過焊接、絞合連接或者纏接等常用的導線連接方式。這樣，只需要用兩根導線5，一根導線5連接信號源1的輸入端和加熱層2中第一個電熱材料條的始端，另一根導線5連接信號源1的輸出端和加熱層2 中最后一個電熱材料條的末端，就可以使導線5、信號源1和加熱層2構成一閉合電路。為減小加熱層2自身熱慣性對聲學聚焦換能裝置性能的影響，電熱材料條的導熱率> 10 W/ (!!! 1()、比熱容彡5001/(1^*1()，厚度彡0.1mm以內。例如，采用鎳鉻合金材料，或鐵鉻鋁合金材料制成電熱材料條，然后電熱材料條依次串接組成加熱層2。通常情況下，電熱材料條的寬度為0. 5mm 2mm，相鄰電熱材料條之間的間隙小于0. 5mm，進一步，由于構成加熱層 2的電熱材料條產生的熱功率中有交流和直流部分，其中的交流部分是產生聲信號的根源， 因此，電絕緣層3的組成材料必須電絕緣、導熱率小，可以有效抑制熱功率中的交流部分流向電絕緣層3，以加強交流部分對加熱層2表面氣體的作用。所述的電絕緣層3由絕緣膠制成，其導熱率在0. 5W/(m · K) 1. 5W/(m · K)之間，例如可以是0. 5W/(m · K)、l W/(m · K) 禾口 1. 5ff/ (m · K)。進一步，為支撐加熱層2和電絕緣層3，同時儲存電絕緣層3傳遞來熱量，支撐塊4 采用機械強度彡MOMPa、比熱容彡400J/(kg · K)的金屬制成，例如采用鐵塊或銅塊。
權利要求
1.一種聲學聚焦換能裝置，其特征在于，該裝置包括信號源(1 )、導線(5)和熱致聲輻射源(6)，其中，所述的熱致聲輻射源(6)包括加熱層(2)、電絕緣層(3)和支撐塊(4)，支撐塊(4)的一面設置為曲面，電絕緣層(3)覆蓋在支撐塊(4)的曲面的表面，加熱層(2)覆蓋在電絕緣層(3)的表面，并且加熱層(2)是具有焦點的曲面；所述的導線(5)分別連接信號源(1)和熱致聲輻射源(6)的加熱層(2)，使導線(5)、信號源(1)和加熱層(2)構成一閉合電路。
2.按照權利要求1所述的聲學聚焦換能裝置，其特征在于所述信號源(1)是具有調節(jié)輸出功率功能的函數(shù)信號發(fā)生器。
3.按照權利要求1所述的聲學聚焦換能裝置，其特征在于所述的加熱層(2)是由電熱材料條依次串接組成，并且相鄰電熱材料條之間有間隙。
4.按照權利要求3所述的聲學聚焦換能裝置，其特征在于所述的電熱材料條的導熱率彡IOff/ (m · K)，比熱容彡500J/ (kg · K)，厚度彡0. 1讓。
5.按照權利要求4所述的聲學聚焦換能裝置，其特征在于所述的電熱材料條是由鎳鉻合金材料或者鐵鉻鋁合金材料制成。
6.按照權利要求3、4或5所述的聲學聚焦換能裝置，其特征在于所述的每根電熱材料條的寬度為0. 5mm 2mm，相鄰電熱材料條之間的間隙小于0. 5mm。
7.按照權利要求1所述的聲學聚焦換能裝置，其特征在于，所述的電絕緣層(3)是導熱率在0. 5ff / (m · K) 1. 5ff / (m · K)之間的絕緣膠制成。
8.按照權利要求1所述的聲學聚焦換能裝置，其特征在于所述的支撐塊(4)是由機械強度彡240MPa、比熱容彡400J/(kg · K)的金屬制成。
9.按照權利要求1所述的聲學聚焦換能裝置，其特征在于，所述的加熱層(2)呈拋物面或者凹球面。
10.按照權利要求1所述的聲學聚焦換能裝置，其特征在于，所述的支撐塊(4)的曲面位于支撐塊(4)的頂面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聲學聚焦換能裝置，包括信號源、導線和熱致聲輻射源，所述的熱致聲輻射源包括加熱層、電絕緣層和支撐塊，支撐塊的一面設置為曲面，電絕緣層覆蓋在支撐塊的曲面的表面，加熱層覆蓋在電絕緣層的表面，并且加熱層是具有焦點的曲面；所述的導線分別連接信號源和熱致聲輻射源的加熱層，使導線、信號源和加熱層構成一閉合電路。該結構的聲學聚焦換能裝置無任何振動部件，能夠將電信號轉換為聲信號并將聲信號聚焦，從而提高了聲學聚焦換能裝置的工作穩(wěn)定性，延長整個裝置的使用壽命。
文檔編號G10K11/26GK102254549SQ20111009931
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月20日 優(yōu)先權日2011年4月20日
發(fā)明者萬廣通, 吳仲武, 姚麗, 王紅星, 董衛(wèi) 申請人:東南大學