超声波流量计探头及换能器原理  一六一

因此,下面着重讨论声透镜的设计与制作.

a)声透镜材料的选择

为了满足折射条件的要求,使超声波通过声透镜后能够会聚,首先就要考虑声透镜材料中的声速,即其纵波声速应大于传声介质(如水)的纵波声速(因为这是凹透镜),并且在声透镜与传声介质的界面上有较大的折射率,此外,还要顾及有良好的透声率,也就是说,声透镜材料的声阻抗应尽量与晶片,传声介质的声阻抗相匹配,声透镜材料中的声能损耗要小(声衰减系数要小),声透镜材料应容易加工且不易变形.

目前常用的声透镜材料为有机玻璃,环氧树脂,丙烯酸树脂等,前者一般采用机械加工的方法制作,多用于频率较低且声强度不大的情况,后两者一般采用液体状态下浇注并压模,再经固化成型,然后再做精加工制成.除此以外,还有采用石英玻璃,硬化塑胶,聚氯乙烯等材料,在特殊情况下还有采用金属材料,如钢,铝,镁合金,黄铜等制成的金属聚焦声透镜,这主要应用于高频和高声强的情况.由于声透镜材料中存在有声损耗,故很大功率的超声聚焦换能器(如用于功率超声波领域)一般不采用声透镜形式的聚焦方法.

b)声透镜形状的设计

凹圆柱面的声透镜用于实现线聚焦,而凹球面的声透镜则用于实现点聚焦.声透

镜形状设计的关键是它的曲率半径及顶部厚度.

平面晶片发射的超声波束在近场长度内稍有收敛直至近场末端N点时有声压最大值,所以可以把N点称为自然焦点,而把近场长度称为自然焦距.显然,经声透镜聚焦后声束的焦距(焦点到声透镜辐射面的距离)必然小于该平面晶片在相同传声介质中的近场长度.

超声波流量计