[发明专利]阵列式微型声频定向换能器

说明书

技术领域

阵列式微型声频定向换能器，属于超声技术领域，特别涉及基于MEMS的换能器技术领域。具体而言，本发明涉及超声换能器直接产生超声波，并通过超声波在空气中的非线性交互作用产生具有高指向性的可听声。

背景技术

换能器是一种把电信号转变为声信号的器件。传统的换能器直接向空气中辐射频率在可听声频段范围内的声波，难以实现高指向性。阵列式微型声频定向换能器通过超声波在空气中的非线性交互作用产生高指向性的可听声，而不依赖换能器固有的特性。其主要工作原理是：换能器向空气中发射调制有可听声信号的超声波，由于空气非线性波传播效应解调了狭窄的超声波调制的声音信号，产生出高指向可听声。

阵列式微型声频定向换能器可以采用PZT、PVDF、磁致伸缩材料或其它具有压电效应的材料。由于当外加适当的电激励信号时，压电材料即可产生较大的机械位移或压力。因此，将含有音频信息的超声波激励信号施加在换能器上，便可转化为机械振动，将信号发射出去。但是，单个换能器单元输出功率小，指向性差，接收灵敏度低，因此，本发明采用换能器阵列，旨在改善换能器指向性、增强传输距离、提高输出声压级、增大输出功率等。

本发明基于微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems，简称MEMS)加工技术，将经过MEMS工艺加工的PZT压电薄膜与微型换能器结构相结合，并采用了阵列的形式，使得所发明的换能器在保证稳定工作的前提下，能根据需要增加换能器的数量，调整换能器阵列形式，满足具体需求。换能器阵列是由多个换能器单元按一定方式排列、组合而成的一种阵列，其阵列形式包括线阵、平面阵和立体阵以及各种组合阵。其中，平面阵又包括方阵、矩形阵、圆弧阵、椭圆阵、菱形阵、多边形阵等；立体阵包括圆柱阵、球壳阵、球体阵、锥形阵等；组合阵包括均匀组合阵和非均匀组合阵。

发明内容

本发明提供的阵列式微型声频定向换能器，相比传统的换能器，能够同时控制声波传播空间分布与声源位置，产生可控传播方向的可听声波，可以依照传输距离的远近和输出声压的大小来设置阵列单元的数量和排列方式。

本发明的目的是通过应用MEMS工艺加工的PZT压电薄膜或PVDF或其他压电薄膜，制作微型声频定向换能器单元，并通过阵列设计和装配制作阵列式微型声频定向换能器。该换能器能够产生20kHz～500kHz频带范围内超声波。

本发明的详细技术方案为：

阵列式微型声频定向换能器，包括：若干个压电材料换能器阵列单元和支撑框。

以上所述阵列式微型声频定向换能器，其特征在于，换能器器阵列单元按一定方式排列、组合在支撑框上，单元之间通过支撑框上的电极彼此串联或并联连接在一起。

所述的支撑框，其特征在于，支撑框可以是金属板，非金属板如印刷电路板。

所述的支撑框，可以是方形平面薄板、圆形平面板、椭圆形平面板、抛物型曲面板、半球形或球冠型曲面板、圆柱形曲面板。

所述的支撑框，其表面布有电极，与换能器单元电极串联或者并联。

所述的阵列单元，其特征在于，由上电极、振动辐射材料、下电极和底座四部分组成。

所述的阵列单元，其形状可以是圆形，方形，椭圆形或者任意正多边形。

所述的阵列单元，其辐射材料为电致伸缩材料或者磁致伸缩材料；

所述的电致伸缩材料可以是压电材料；所述的压电材料可以是压电晶体、压电陶瓷、PZT或者PVDF压电薄膜。

所述的阵列单元，其基底材料为硅；

上述方案中，所说的支撑框是整个扬声器的支撑件，所有的阵列单元安装在支撑框上，电信号直接加在支撑框的电极上，通过支撑框表面的线路将电信号传输到每一个阵列单元上。所述的阵列单元，其上电极和下电极分别与辐射材料的上下表面固定连接，通过上下电极与支撑框的电极相连接。下电极与硅基底相连接，通过硅基底将辐射材料固定，辐射材料的形状由基底上表面的形状来保证。同时，上下电极作为两个正负电极将电信号加到辐射材料上，使之产生振动，将电信号转化为机械振动，向外辐射超声波。超声波经过空气中的非线性交互作用，产生高指向性可听声信号。各个阵列单元可以各自使用单独的电极，也可以共同使用一个电极。对比而言，共用一个电极能较好地保证各个阵列单元振动的一致性，使输出声波相位一致，增大输出声压；而各阵列单元分开使用各自的单独的电极能根据需要调节输入电压的相位。根据具体情况，可以自定义选用合适的电极形式。

附图说明

图1是本发明阵列式微型声频定向换能器的阵列单元的实施方式之一；