[发明专利]超声波接收器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用来接收或检测超声波的超声波接收器。 

背景技术

由于超声波可以在固体以及很多其它介质中传播，因此，被广泛应用在众多领域，如测量、物理特性评估、工程、医药生物等领域。超声波在介质中的传播特性被称之为声阻抗。一般来说，在声阻抗有显著差异的两种介质(如气体和固体)之间的界面上，绝大多数已经传播通过这两种介质之一的超声波会发生反射，因此超声波不能高效发送到另一种介质。 

超声振荡器被广泛应用于超声波的检测，通常这种振荡器采用压电体如陶瓷制造。这就解释了为什么当采用超声振荡器检测在气体中传播的超声波时，绝大部分传播的超声波从超声振荡器的表面反射，而只有一部分超声波被超声振荡器所检测到。由于这个原因，通常难以以高灵敏度检测超声波。由于反射的原因，从超声振荡器向空气中发送超声波时，效率也会降低。这也解释了特别是在采用超声波测距、测量流体速度或感应物体时，最重要的问题之一在于高灵敏度地检测超声波。 

为了解决这个问题，例如，专利文献1公开了一种超声换能器(transducer)，其利用超声波的折射可以高灵敏度地检测到在环境流体如气体中传播的超声波，并且可以使宽频范围内的超声波传送通过环境流体。下文中，将介绍这种超声换能器。 

如图14所示，常规超声换能器201包括超声振荡器202和传播介质203，该传播介质203设置在作为超声振荡器202发送接收表面的第一表面区域231上。超声换能器201周围的环境填充有环境流体4，超声波按照箭头205所示的方向传播通过环境流体4，从而到达传播介质203的第二表面区域232。这种类型的超声换能器被称为“折射传播型超声换能 器”。 

作为传播介质203，该物质的选择应该满足传播超声波的声速低于超声波在环境流体4中的传播声速，且该物质的密度高于环境流体的密度。专利文献1公开的一种具有二氧化硅(silica)骨架结构(skeleton)的干凝胶(dry gel)材料可用作这种物质。这种二氧化硅干凝胶材料的声速和密度可通过改变其生产过程的条件进行调整。例如，当环境流体4为空气时，传播介质203的材料可以选定为密度为200kg/m³和声速为150m/s的介质203。 

设第一表面区域231和第二表面区域232之间的夹角为θ₁，且设超声波传播方向205相对于第二表面区域232法向的角度为θ₂。在这种情况下，通过选择合适的角度θ₁和θ₂，可以使超声波从第二表面区域232的反射降为几乎为0。结果，实现了高发送和接收灵敏度的超声换能器。 

根据专利文献1，在这种情况下，角度θ₁和θ₂大约分别为26度和89度，且从超声振荡器202发送的超声波几乎与第二表面区域232平行行进。或者几乎平行第二表面区域232到来的超声波入射到传播介质203上，而不会从中反射，然后由超声振荡器202检测。结果，超声波可以高效率地从一种声阻抗非常小的介质如空气传入传播介质中，或者高效率地从传播介质传入空气中。通过这种方式，超声波可以高灵敏度地发送和接收。 

专利文献1：PCT国际申请公开号2004/098234。 

发明内容

本发明要解决的问题 

专利文献1中公开的折射传播型超声换能器可以将超声波在两种不同介质间界面上的反射降至最低，从而高效地传播超声波。然而，由于超声波与传播介质203同环境流体4交界的第二表面区域232几乎平行行进，折射传播型超声换能器的接收效率非常低，这是一个问题。 

如图15所示，假设第二表面区域232在平行图15所在纸面方向的宽度为L₁，在平行图15所在纸面方向上具有同样宽度L₁(＝L₂₁+L₂+ L₂₂)的范围内的超声波5入射至第二表面区域232，从而从第二表面区域232的反射几乎为0(即，θ₂大约为89度)。在这种情况下，超声波5在子范围L₂₁和L₂₂内传播的部分并未入射到第二表面区域232上，只是超声波5余下的在子范围L₂内传播的部分入射到了第二表面区域232上并且被超声振荡器202检测到。