用于改进的声传输效率的挡板结构体

优先申请

本专利申请主张以下两个临时专利申请的权益：

1)2018年5月2日提交的序列号为62/665,867的美国临时专利申请；以及

2)2019年1月7日提交的序列号为62/789,261的美国临时专利申请。

技术领域

本公开一般地涉及通过在声换能器中纳入声匹配结构体来改进声传输效率。

背景技术

声换能器将通常为电能的一种形式的能量转换为声(压力)波。从换能器发射到周围声介质中的能量比例取决于介质相对于换能器的声阻抗。为了有效传输，阻抗应接近相等。在许多应用中，声介质将是空气或另一种气态介质，它们的声阻抗通常比换能元件的声阻抗低几个数量级。这种较大的阻抗失配会导致能量到声介质中的不良传输，从而限制了换能器发射的声能量。改进传输效率的技术包括在换能器与声介质之间添加匹配层或匹配结构体。

许多常规的阻抗匹配层方法要求平行于传输方向的尺寸是声波波长的很大一部分。这限制了它们对要求极薄或紧凑的解决方案的应用的可用性。常规的阻抗匹配层的另一缺点是所使用的低声阻抗材料需要复杂的制造工艺。

发明内容

本申请描述了一种声匹配结构体，该声匹配结构体用于在发射到声阻抗显著低于换能器的声阻抗的介质中时提高声换能器的传输效率。

以下术语标识换能器的各部分：换能器由声匹配结构体和换能元件组成。声匹配结构体是无源的，旨在提高从换能元件到周围声介质的声学传输效率。当由电输入驱动时，换能元件产生声输出。换能机构可以是通过振荡运动，例如使用机电致动器，或者是通过振荡温度，例如使用电热换能器。

具体地，声匹配结构体用于增加从具有较高阻抗的换能元件辐射到具有较低声阻抗的周围声介质中的功率。

声匹配结构体包括由声换能元件和挡板界定的共振声腔组成。共振声腔放大了由换能元件产生的压力振荡，并且挡板包含一个或多个孔径，这些孔径允许压力振荡从共振声腔传播到周围声介质中。

声匹配结构体的优选实施例包括由两个端壁和一个侧壁界定的基本为平面的薄腔体组成。腔体的端壁由挡板壁和换能元件壁形成，该挡板壁和换能元件壁以短距离隔开，该距离小于换能器工作频率下的周围声介质中的声波波长的四分之一。端壁和侧壁界定直径大约等于周围声介质中的声波波长的一半的腔体。在操作中，换能元件在腔体内的流体中产生声振荡。换能元件可以是致动器，其在垂直于腔体平面的方向上产生端壁的运动以激发腔体内流体中的声振荡，并且腔体引起所产生的的压力振荡的共振放大。腔体的侧壁或端壁包含至少一个远离腔体中心定位，以允许压力波传播到周围声介质中的孔径。

附图说明

附图与下面的详细说明一起纳入说明书中并构成说明书的一部分，用于进一步阐述包括要求保护的发明的概念实施例，并解释了这些实施例的各种原理和优势，在所述附图中，相同的参考标号指示各个图中相同或功能相似的元件。

图1是具有简单四分之一波长声匹配层的换能器的简化示意图。

图2是示出由板构成的声匹配结构体的计算出的声阻抗的曲线图。

图3、4和5是示出薄膜匹配层的计算出的声阻抗的曲线图。

图6是包括亥姆霍兹共振器的换能器的截面图。

图7是作为本发明的示例实施例的与包括挡板的声匹配结构体耦合的换能元件。

图8是与声匹配结构体的耦合换能元件，该声匹配结构体产生期望的声共振模式，并且包括具有环形孔径的挡板。

图9是与声匹配结构体耦合的换能元件，该声匹配结构体产生期望的共振模式，并且包括具有非环形孔径的挡板。

图10是与声匹配结构体耦合的换能元件，该声匹配结构体产生期望的共振模式，并且包括具有径向分布的孔径的挡板。

图11是示出具有和不具有声匹配结构体情况下的轴上压力测量的曲线图。

图12是示出具有和不具有声匹配结构体情况下的使用模拟计算出的辐射功率的曲线图。

图13是示出包括适合于换能器结构体的声匹配结构体的换能器在轴对称模拟中的径向模式压力分布的曲线图。

图14A是包括与适合于致动器的声匹配结构体耦合的压电弯曲模式致动器的换能器的截面图。

图14B示出了共振声腔内的压力振荡的径向依赖性。

图14C示出了弯曲模式致动器速度的径向依赖性。

图15是示出模拟中的辐射功率的曲线图，其详细示出了实施例中对孔径参数的依赖性。

图16是示出当实施例中的腔体的高度h

图17A和17B是包括具有圆柱形侧壁的管状腔体的换能器的截面图。

图17C示出了腔体中的压力振荡的幅度如何沿纵轴变化。

图18A是包括以更高阶的声共振模式驱动的声腔的换能器的截面图。

图18B是示出压力振荡的阶段如何沿三个平行轴变化的曲线图。

图18C示出了压力振荡的阶段。

图18D示出了致动器的速度曲线。

图19A、19B和19C示出了具有共振声腔以及与薄膜匹配层组合的挡板的换能器的截面图。

图20A、20B和20C示出了包括声腔以及与具有孔阵列的板组合的挡板的换能器的截面图。

图21示出了与薄膜和具有孔匹配层结构体的板组合的多个传感器。

本领域技术人员将理解，图中的元件是为了简单和清楚而示出的，并且不一定按比例绘制。例如，图中的某些元件的尺寸可能相对于其他元件被放大，以帮助提高对本发明的实施例的理解。

在适当情况下，设备和方法组件由附图中的常规符号表示，仅示出与理解本发明的实施例有关的那些具体细节，以免对于受益于本文描述的本领域的普通技术人员来说很容易理解的细节混淆本公开。

具体实施方式

I.

在本说明书中，换能元件直接是指结构体中将能量转换为声能的部分。致动器是指固体结构体中包含被传送到介质之前的动能的部分。

气体或材料的比声阻抗被定义为声压与该声压的关联粒子速度之比，或者

这对于任何声场均成立。为了简化此讨论，最有用的方法是考虑上式的平面波解。这样将等式简化为标量，

z＝ρc

对于在与粒子速度相同的方向上传播的波，其中ρ是密度，c是介质的声速。该量的重要性在考虑来自具有不同声阻抗的两种声介质之间的界面的反射和透射时将得到突显。当平面波入射到从具有特定声阻抗z

这表明，当两种介质的阻抗值基本不同时，反射强度远大于透射强度。对于大多数气体耦合声致动器来说就是这种情况，其中致动器由声阻抗约为Z

已经针对40kHz的致动器分析了共振压电弯曲致动器的声阻抗(Toda，IEEETransactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control，第49卷，2002年7月7日发表)，其中假设Z

该问题的解决方案是添加阻抗为z

声匹配层或其他声匹配结构体需要插入从致动器到介质的声能传输路径中，并设计成具有尽可能接近最佳匹配结构体阻抗的声阻抗，这是源和目的地的声阻抗的几何平均值，在一些实施例中，源和目的地可以是高阻抗致动器和低阻抗体积空气或其他声介质。中间阻抗匹配层的作用是，从较高阻抗区域到匹配层然后从匹配层到较低阻抗区域的能量传输比从较高阻抗区域到较低阻抗区域的直接能量传输更有效。

还可以有多个匹配层，这些匹配层形成一条链，当端点和每个匹配层的声阻抗的对数形成一条其值是渐进的并且基本相等地间隔开的链时，该匹配层链的效率最高。

如果将单个材料匹配层添加到换能元件的表面，则必须选择和平衡两个关键特性：

1.层的声阻抗Z

2.块状材料层的厚度必须近似地等于工作频率(压力振荡频率)下匹配层材料中的纵向压力波的四分之一波长。

这两个特性必须调整和匹配，因为任何给定材料的层的厚度也会影响声阻抗。可以看出，仅会有限地选择合适的材料，并且对于某些频率范围，这种有限的选择可能很小。

图1示出了包括常规匹配层的换能器的示意图100。中间层130(具有中间声阻抗)用作匹配层，该匹配层被添加在致动器140与声介质110(例如空气)之间。当将匹配层视为块状材料时，中间层130的厚度120近似地等于工作频率下的匹配层中的纵向压力波的四分之一波长。

图2是示出由包含孔阵列的厚度为t 220的板构成的声匹配结构体的计算的声阻抗210的曲线图200，如现有技术中所述(Toda，IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control，第49卷，2002年7月7日发表)。对于30kHz、40kHz和50kHz(250、240、230)的频率，计算出空气中声阻抗随板厚度的变化，显示了当板厚度等于空气声波长的1/4时的阻抗最大值。

图3、4和5是示出上段中提及的在现有技术中描述的薄膜匹配层的计算出的声阻抗的曲线300、400、500。在图3中，绘制出15μm厚的聚乙烯薄膜的声阻抗310与频率320，该薄膜与换能元件间隔0.1mm至0.5mm的气隙(曲线370、360、350、340、330)。在图4中，绘制出薄膜厚度值范围从5μm至45μm的情况下的声阻抗410与频率420，该薄膜与换能元件间隔0.2mm的气隙(曲线(470、460、450、440、430)。在图5中，绘制出薄膜厚度为25μm的情况下的声阻抗510与薄膜与换能元件之间的间隔520。薄膜和薄气隙的组合在间隙大约为20至22μm时产生高声阻抗530。

图6是包括亥姆霍兹共振器的换能器的截面图。亥姆霍兹共振器600具有尺寸基本上小于声波波长的1/4且空间上具有均匀压力的腔体640，以及通常位于腔体640中心的孔径650。该腔体由壁610a、610b、620a、620b界定。

作为示例，可以计算在空气中操作的厚度模式压电致动器的匹配层的声阻抗。在这种情况下所需的声阻抗约为100,000kg·m

表1：

因此，理想的匹配层弥合该大的声阻抗间隙所需的声阻抗必须由具有非常低的声速和低密度的固体材料构成。为了减小制造适合四分之一波长标准的匹配层所需的材料尺寸或体积，低声速是优选的。该材料需要具备低密度以具有适合于匹配层的声阻抗。但是一般来说，合适的材料不会自然产生。它们通常必须采用特殊的制造工艺来构造，这些工艺往往很复杂且难以控制，从而导致可变的声学特性和可变的性能作为匹配层。对于这种所构造的合适材料的示例，在美国专利号4,523,122中描述了使用玻璃和树脂微球的匹配层，在美国专利号6,989,625中描述了使用干凝胶材料的匹配层。用于典型的共振压电弯曲致动器的理想匹配层将具有更低的声阻抗，并且在构造上更具挑战性。

合适材料的低密度、低声速匹配层的另一问题是对四分之一波长要求的厚度具有限制。换能元件的主要工作频率越低，波长越长，匹配层必须越厚。例如，在环境压力和温度下，空气中40kHz处的波长为8.58mm。因此，假设材料的声速与空气相似，这本身将很难实现，因为它需要密度高但硬度低的材料，而这又可能需要专门的工艺来进行制造，理想的匹配层的厚度将接近2.14mm。在厚度受限的应用中，无论是在商业上还是对于感兴趣的特定应用，这都可能太大而无法实现。由声速大于空气的材料制成的匹配层需要比该2.14mm更厚的厚度。

本发明提出了使用通过将挡板放置在从换能元件到声介质的声能传输路径中而形成的排气共振声腔来实现中间声阻抗，该中间声阻抗比换能元件的声阻抗低，比周围声介质的声阻抗高。中间声阻抗提高了从换能元件到声介质的声能传输效率，并且通过在从换能元件到声介质的声能传输路径中的声腔内产生受控的共振声学模式来提供中间声阻抗。声腔以某种方式约束声介质，从而在声介质中引起共振声学模式，该共振声学模式可以被换能元件激发。形成声腔的一个面的挡板包括孔径，这些孔径允许声能从声腔传输到声介质中。

声匹配结构体的有效声阻抗可以根据声阻抗的定义Z＝p/u(即声压与粒子速度之比)来确定。在操作中，致动器在声介质中产生一个边界速度场，并位于挡板的一侧，该挡板被故意放置在能量传输路径中。致动器和挡板形成基本上由致动器和挡板界定的声腔。致动器将声波从致动器的表面驱动到声腔中。当致动器继续以基本恒定的位移振幅和频率振荡时，腔体中的共振声振荡被激发并且幅度增加。由基本恒定的致动器振荡速度大小引起的声压共振增加指示声腔的有效声阻抗相对于体积声介质增加了Q

在设计成产生这种共振声学模式的结构体中，尺寸也可以进行排列和调整大小，以便挡板和致动器的紧密间距通过将流体限制在薄层内并将流体运动限制为基本平行于致动器的面来增加声介质的有效声阻抗。在扁平圆柱腔体的情况下，流体速度和压力增加f

考虑可以支持声共振的最小腔体高度是有用的。为了在没有过多粘性损失的情况下载腔体中建立声共振，我们要求h

第一个径向声共振的频率f0由下式给出：

由此我们可以得出条件

然而，较小的腔体高度是有利的，因为致动器和挡板的狭窄间隔会限制声介质，并导致在给定的致动器驱动速度下，腔体内声介质的径向速度增加，并且几何放大系数为上述f

但是，由于目标是将能量传输到介质中，因此需要一个孔径以允许声波从结构体中逸出。有帮助的做法是平衡适当声扰动的维持和保持的约束(其中新型匹配结构体中较小面积孔径是有益的)与有关将增加的扰动向前传输到声介质中的要求(其中新型匹配结构体中较大面积孔径是有益的)。必须添加至少某种可能包括一个或多个离散部分的孔径，以使由换能器产生的一部分声输出在每个循环中都能逸出到体积介质中。

在这些实施例中，术语“声介质”是指声波传播通过的腔体内的介质。“体积介质”是指存在于腔体外部的声介质。介质可以是诸如水之类的液体，或诸如空气之类的气体，或与本发明的构造材料明显不同的任何其他介质。为了本讨论的目的，任何支持声波的介质都可以称为“流体”。

在声介质中创建适当共振模式的结构体的设计过程可以通过简化的边界值问题说明。一种简单的结构体可以以声腔的形式体现上美术特性，该声腔由声介质体积构成，该体积在本示例中受到侧壁环绕结构体的限制。共振频率模式结构体可以通过找到亥姆霍兹方程的解来确定，

其中p＝P(x)exp(jωt)并且在适当的边界条件下，

作为使用适用于圆柱腔体的圆柱坐标的示例，我们可以考虑具有半径a

P

其中J

作为使用笛卡尔坐标的示例，我们可以完成确定包含在具有刚性壁的矩形腔体内的介质体积的模式结构体，原点放置在框的一角，轴取向使得感兴趣的域通过x≥0，y≥0和z≥0描述。变量的分离则允许采用以下形式的解析解：

其中由腔体L

其中l、m和n可以替换为整数的任何唯一组合以描述腔体的每个共振模式。

产生模式的角频率由下式给出：

波的振幅(A

让我们检查模式l＝2，m＝2和n＝0的特定情况，其中L

不依赖z。腔体的底部中心

孔径的存在引起混合边界条件，这使解决方案变得复杂。此外，从换能元件到外部声介质的损耗和能量传播导致声波中出现行波分量。结果是没有完美的节点位置，但是有最小压力振荡幅度的位置。

允许声能从腔体传播到周围声介质的孔径位于具有较低压力振荡幅度的区域，而换能元件位于具有较高压力振荡幅度的区域。

上述说明描述了封闭的硬盒中的声学模式的理想情况。在实践中，压力振荡幅度将在孔径附近减小，从而允许压力波从腔体传播到外部声介质。

但是，z不必像本示例中那么小。如果需要，可以设计一个高而细的腔体，并在致动器附近形成一个高压波腹。这在需要在较小的表面积中压缩大量换能器但放宽厚度限制的应用中可能是有益的。例如，与之前一样，采用声介质的模式形状l＝0，m＝0和n＝1，在这种情况下，L

可以构造更多示例，尤其是在至少一个尺寸没有长度限制要求的情况下，如图17和图18所示。

为了获得甚至更高的声压，可能有必要构造一个腔体，其中模式形状由l＝0，m＝0和n＝3定义。在这种情况下，沿着声腔的长度存在两个波腹。与上面的示例不同，这些波腹异相并根据腔体中存在的渐进波模式的每半个周期进行交换。通过在周期中的相应高压点处驱动到两个波腹中，两个换能器以每个被驱动的π弧度异相传输能量，可以产生更高的压力，进而产生更大的声阻抗，这将导致更有效的将能量传输到声介质中。在另一实施例中，可以设置单个致动器，使得在其运动的一个阶段期间，它向结构体的一个波腹中施加位移，而在相反的阶段中，在另一波腹处激发运动。这可以通过在第二波腹位置处机械耦合到柔性表面来实现。或者，一小袋气体可以提供与柔性表面的耦合。在另一布置中，致动器可以设计成以“S”形模式操作，其中在与另一极性相反的驱动极性期间，一半移入结构体，另一半从结构体中移出。然后，将其匹配到在最大位移表面处包含异相波腹的结构体。

在前两段中描述的示例性腔体描述了本发明的管状实施例，其一个主尺寸比另外两个尺寸延伸得更长。这种布置的优点在于，腔体不必直接垂直于换能元件延伸，而是可以在必要时弯曲。这就像一个波导来引导和控制声波，同时仍在开发有必要成为有效匹配层的模式结构体。有助于维持声学模式的有效腔体横截面将跟随声波波前穿过腔体。可以通过连接经由腔体从换能元件中心到挡板中心的假想线，同时最大化直线上任何点到侧壁的平均距离来估计腔体模式的路径。采用以这条线为法线的横截面，可以充分估计模式结构体。弯曲和改变腔体横截面例如可以减小阵列布置中的有效间隔。这可以通过以给定的间距布置来自换能器阵列的匹配腔体的网络并减小和倾斜腔体的相对挡板侧以使间距在孔径侧变窄来实现此目的。该实施例也可用于将有效阵列布置从例如直线填充改变为六边形填充。

如果要求换能器具有较宽的频率变化范围，则可以考虑对此主题进行进一步的更改。如果有两个轴，其中模式编号{l，m，n}不为零(例如第一示例的模式l＝2，m＝2，n＝0)，则当每个轴被视为独立的共振系统时，每个非零轴的ω可被有效地扰动，以将共振模式的峰值移到不同的频率。ω的这种扰动的实施例可以通过将几何形状的内部腔体从正方形棱镜修改为矩形棱镜来实现，其中相对于正方形棱镜的偏差指示两个共振峰值的分离。当这些峰值靠在一起时，它们被视为事实上的单个峰值(但可能更宽)。当这些ω偏离时，它具有扩大输出共振峰值的作用，从而可以降低要使用的制造公差，或者允许驱动频率从共振频率开始发生变化，而不会出现输出的急剧损失。这种较宽的响应是以减少峰值频率下的输出为代价的。

可以对任意形状的结构体或腔体进行类似的分析。有些可以以与先前的示例类似的方式进行解析(例如圆柱形腔体)，而另一些则需要数值模拟(例如有限元分析)的帮助，以预测适当的高压波腹在何时、何地以及如何出现。设计目标是具有这样的声学模式：其产生的压力分布在空间上模拟安装在声换能器结构体中的致动器在所需振荡频率下的位移。

如果将封闭腔体设计成将共振模式固定并保持在适当位置，则在理想的情况下，孔径应被添加到共振腔体的表面上，以使腔体内的一部分声场在每个循环中逸出到体积介质中。孔径的确切形状和位置不适合进行封闭形式的解析。通常，与腔体内模式的较大长度尺寸相比，尺寸应保持较小，以使孔径基本上不会干扰腔体模式。太大的孔径会导致腔体内的声压显著损失，并使所需的阻抗效应减弱。但是，孔径太小会导致每个周期没有足够的声压逸出，因此降低了腔体作为匹配层的功效。基本上对应于声学模式形状的等相部分的孔径形状也将有助于防止明显干扰模式形状。在图8、9和10中给出了孔径的一些示例。下面将讨论各种孔径形状的模拟结果。

II.

A.

图7以截面图示出了与挡板耦合的换能器的示意图700，其用于图示本发明的实施例。挡板结构体包括具有侧壁780和孔径797的挡板770。该挡板770与具有环绕结构体790的声换能元件785间隔开。该挡板在传播方向上与换能元件正面相隔距离h

表2：

挡板结构体形成腔体795，该腔体紧邻声换能元件组件的致动面定位，该致动面表示用于将动能移动到声介质中的主传输表面。在该实施例中，选择该腔体的声共振频率以匹配基本径向模式，从而增加由换能器辐射到传播介质中的功率。这是可能的，因为图7的换能元件与阻挡的前板之间的小腔体795增加了由于换能器的运动而在该腔体795内产生的压力振荡的幅度。这改善了约束在结构体内的较高声阻抗换能器与较低声阻抗介质(通常与传播介质相同)之间的耦合(并因此提高了功率传输的效率)。该声功率经由一个或多个孔径797传播到周围介质中。

孔径示在图8、9和10中示出。

图8示出了示意图800，其中换能元件810与声学结构体耦合，该声学结构体的上表面820具有环形孔径830。

图9示出了示意图900，其中换能元件910与声学结构体耦合，该声学结构体的上表面920具有非环形孔径930。

图10示出了示意图1000，其中换能元件1010与声学结构体耦合，该声学结构体的上表面1020具有以圆形间距定位的圆形孔径1030。

图11和图12分别通过实验数据和数值模拟证明，在一定频率范围内，通过使用体现本发明的挡板结构体，该L

图11示出了在有和没有所体现的本发明的情况下测得的轴上声压的曲线图1100。x轴1120是以Hz为单位的频率。y轴1110是30cm处的以Pa为单位的轴上声压。该曲线图示出了具有体现本发明1130的声学结构体而没有该结构体1140的换能器的在距换能器30cm处测得的轴上声压与频率之间的关系。曲线图1100示出，对于50kHz与80kHz之间的几乎所有频率，使用体现本发明的挡板的换能器的30cm处的轴上声压都高于不使用体现本发明的挡板的情况。在该实施例中，当在大约62kHz至大约66kHz之间使用挡板结构体时，轴上声压明显更高。

图12示出了具有和不具有挡板的情况下的模拟的轴上声功率的曲线图1200。x轴1220是以Hz为单位的频率。y轴1210是以W为单位的辐射功率。该曲线图示出了具有挡板1230而没有挡板1240的换能器的辐射功率与频率的关系。曲线图1200示出了对于大约60kHz至大约90kHz之间的频率，使用挡板的辐射功率明显高于不使用挡板的情况。

此外，可以调节腔体的声共振频率，当该腔体耦合到具有其自身工作频率的换能元件时，可以提供期望的声输出特性(例如，宽带、高轴上压力、高辐射声功率)。换能元件的工作频率可以不同于声共振频率。当腔体的共振频率和换能元件的工作频率紧密匹配时，辐射声功率最大。如果换能元件和声腔共振是模式形状匹配的，即换能元件振荡的位移轮廓基本上类似于在介质中激发的声共振的压力模式形状，则可以实现进一步的性能改善。

还可以有利地混合使用激活阻抗匹配效应的频率和构成所需输出的一个或多个其他频率(也可以与多个换能元件结合)。由于阻抗匹配效应，与隔离中的每个频率分量相比，这不会表现出线性关系，因此在设计简单，小尺寸和高输出效率非常重要而忽略高超声频率的应用中，例如在小型扬声器单元中，这可用于实现更具商业可行性的设计。

图13示出了轴对称模拟中的具有和不具有挡板(其为作为实施例的结构体的一部分)的换能器的传播面上的压力振荡幅度的曲线图1300。在这种情况下，挡板和侧壁是圆形对称的。x轴1320是以mm为单位的从中心开始的换能器面上的径向线的距离。y轴1310是以Pa为单位的绝对声压。该曲线图示出了具有挡板1330而不具有挡板1340的换能器的换能器绝对声压与中心(r＝0mm)和边缘(r＝2.5mm)间的径向距离之间的关系。曲线图13示出了不具有挡板的情况下的绝对声压基本恒定在大约750Pa处。与之相反，具有挡板的情况下的绝对声压从r＝0mm处的大约21000Pa逐渐下降至r＝2.5mm处的大约2000Pa。所示数据取自两个相同活塞模式致动器的轴对称压力声学有限元模型(COMSOL)。

由此可见，将位移轮廓与模式形状相匹配并不是使挡板和环绕结构体有效的绝对要求，因为来自简单活塞模式致动器(例如，厚度模式下的压电致动器)的辐射功率可以通过具有环绕结构体挡板来增加，如图12所示。

B.

图14A示出了与弯曲模式压电致动器耦合的挡板的横截面实施例的示意图1400。挡板结构体包括挡板1420、侧壁1450和孔径1490，其使用支撑结构体1410a、1410b安装，并与包括基板1430和压电换能元件1440的声致动器间隔开。

图14B是示出共振声腔内的压力振荡的径向依赖性的曲线图1492。图14C是示出弯曲模式致动器速度的径向依赖性的曲线图1494。

在该实施例中，致动器的位移轮廓与腔体内的径向模式声压分布很好地匹配。另外，挡板结构体用于限定致动器的运动以及腔体的几何形状。挡板结构体严重限制了致动器在腔体周界的运动，因为在这个区域，材料厚度更大，结构体基本上变得更加坚硬。类似地，该结构体不限制致动器在腔体中心和高压波腹所在的中心处的运动。这使得致动器在被致动时，其位移遵循期望的弯曲形状，其外形与图13所示的声压分布非常相似。因此，挡板具有双重功能：为致动器提供机械支撑，以及形成声匹配结构体。这进一步降低了整个系统的高度。

1.

返回图7，可以通过更改腔体半径r

下面的表3示出了可根据3种不同的工作频率调节到腔体的示例尺寸。

虽然不是必需的，但是通常将换能元件半径和腔体半径选择为相同。表3显示，r

表3：

表3显示，对于给定的挡板和支撑结构体厚度h

除了r

中心区域仍必须被阻挡的前板部分地阻挡，以使孔径宽度w

如图16所示，所激发的径向声学模式的共振频率仅微弱地取决于腔体高度h

以图16为例，当腔体高度h

表4：

表4显示，对于给定的挡板厚度和腔体高度(均为0.2mm)，可以通过挡板在较大频率范围内增加辐射声功率。调整孔径宽度以使每个频率的辐射功率最大化。数据是使用压力声学有限元模型(COMSOL)从有关换能器中心线的二维轴对称模拟中获取的。

与孔道宽度一样，腔体高度存在类似的下限，即，由于与以前相同的原因，粘性渗透深度对腔体尺寸施以大致的下限，即h

腔体高度h

图17和18涉及使用声匹配结构体的替代纵向实施例的换能器，其中声腔的半径小于声腔的高度。图17A示出了换能器的轴对称图。致动器1710的周界与空心管1750的一端配合。然后，挡板1720与该空心管的相对一端配合。声腔1740由致动器、空心管和挡板的组合形成。挡板上具有小孔径1730，以允许压力波辐射到周围介质中。致动器的纵向振荡运动(由1715指示的运动)在腔体中产生纵向压力波。可以调节这些压力振荡的频率，以便在腔体中激发纵向声共振，从而增加其幅度。该共振频率将主要取决于腔体高度，腔体半径产生的影响较小。

图17B示出了换能器的轴对称图。空心圆柱形致动器1760的一端与基座1770配合。然后，挡板1720与致动器的相对端配合。声腔1740由致动器、基座和挡板的组合形成。挡板上具有小孔径1730，以允许压力波辐射到周围介质中。由1765指示的致动器的径向运动在腔体中产生纵向压力波。可以调节这些压力振荡的频率，以便在腔体中激发纵向声共振，从而增加其幅度。该共振频率将主要取决于腔体高度，腔体半径产生的影响较小。与图17A所示的配置相比，该配置的优点在于为致动器提供了更大的表面积，从而能够实现更高的声输出。

图17C示出了在以下两种情况下，腔体内的压力振荡1784的幅度如何沿着从致动器到孔径的纵轴1782变化：(A)具有挡板的情况1786(B)没有挡板的情况1788。在这两种情况下，都会激发一阶声共振，其中压力振荡的幅度从空心管的封闭端到开口端单调减小。然而，对于具有挡板的情况，幅度实质上较高，并且在压力波辐射到周围介质中的孔径处尤其如此。致动器可以是厚度模式压电致动器，其中一旦厚度致动器被驱动，其运动就近似均匀并且在其整个区域上同相。正是这种运动在腔体中产生了纵向压力波。

图18A示出了换能器的轴对称图。致动器1810的周界与空心管1850的一端配合。然后，挡板1820与空心管的另一端配合。声腔1840由致动器、空心管和挡板的组合形成。挡板上有两个小孔径1830和1860，以允许压力波辐射到周围介质中。在这种情况下，与图17相反，致动器的运动在腔体中激发了更高阶的声共振。

图18B是示出压力振荡的相位如何沿三个平行轴A、B和C改变的曲线图1870。沿着每个轴，靠近致动器的压力最高，但是与空心管的相对端处的压力异相。沿B轴没有定位任何孔，因为从此位置的孔径辐射的压力与从孔径1830和1860辐射的压力异相，这会造成相消干扰并降低换能器的总压力输出。

压力振荡的相位在纵向和径向上变化。如图18C的曲线图1880所示，在径向上，在给定的z高度下，腔体中心的压力与靠近空心管内周的压力异相。

图18D示出了作为与所描述的声共振模式匹配的模式形状的致动器速度分布图1890，其中致动器振荡相位在其半径上变化；在其中心处同相，在靠近周界处异相。在这种情况下，可使用弯曲模式压电致动器来产生这种速度分布图。

图19A示出了包括致动器和匹配结构体的换能器，该匹配结构体是挡板和薄膜匹配结构体的组合。薄膜1950与致动器1910以短距离隔开以形成密封的声腔1940。挡板1930与薄膜的相对侧以短距离隔开以形成具有孔径1920的分离的声腔1960。两个匹配结构体的组合可以提高换能器的声传输效率。

类似地，图19B示出了包括致动器和匹配结构体的换能器，该匹配结构体是挡板1930和薄膜1950结构体匹配的组合。然而，在该实施例中，挡板1930和薄膜1950的位置是相反的，使得最靠近致动器的是挡板1930，并且薄膜1950直接将压力辐射到周围介质中。薄膜通过隔板元件1970与挡板1930以短距离隔开。

图19C示出了两个相邻的换能器1992、1194，每个换能器具有与图19B相同的配置，但是这两个换能器共享连续的薄膜1950。有利的做法是制造换能器阵列，因为薄膜1950可以层压到换能器阵列上作为最终组件，无需进一步处理。

图20A示出了包括致动器2010和挡板匹配结构体的换能器。挡板2020的厚度约为声介质中的压力振荡波长的四分之一。例如，该介质可以是空气。因此，孔径2030的长度等于波长的四分之一。除了在由致动器和挡板形成的腔体2040中激发的径向共振之外，还可以在孔径中激发纵向声共振。这种额外的纵向共振会进一步放大压力输出。

图20B示出了两个换能器2061、2062，每个换能器包括致动器和挡板匹配结构体，在两个换能器的前面布置有单独的穿孔板2060。附加的穿孔板可以充当附加的匹配结构体，并进一步提高声传输效率。它还可以充当保护屏障，以防止例如意外地损坏换能器或灰尘进入换能器。

图20C示出了包括致动器和匹配结构体的换能器，该匹配结构体是挡板2020和穿孔板2060匹配结构体的组合。穿孔板2060与致动器2010以短距离隔开。挡板2020与穿孔板的相对侧以短距离隔开，从而形成具有孔径2030的腔体2040。两个匹配结构体的组合可以提高换能器的声传输效率。

图21示出了彼此靠近布置的两个致动器2109、2110，在它们前面定位有连续的薄膜2150，并且在该薄膜前面定位有连续的穿孔板2160。两个匹配结构体的组合可以提高换能器的声传输效率。此外，由于薄膜和穿孔板被多个致动器共享，因此可以提高换能器阵列的组装简易性。

2.

挡板匹配结构体的工作频率主要取决于平面内尺寸(r

下面描述了包括挡板的声结构体相对于上文详述的替代匹配结构体的优点。

1.常规的匹配层通常接近

2.如Toda中所述，与具有规则的亚波长孔阵列的板相比，挡板可以以更薄的结构体实现性能改进，尤其是在低超声频率下。

3.在Toda中描述的薄膜匹配层的情况下，性能很大程度上取决于平行于传播方向的尺寸。这可能在高频(＞＞80kHz)时受到限制，在这种情况下，薄膜与换能元件的间隔需要无法合理实现的严格公差。然而，可以在至少机械加工和蚀刻中以典型的工业公差来制造挡板和支撑结构体。而且，聚合物薄膜缺乏坚固性，而具有支撑结构体的挡板可以由诸如铝之类的单件更硬、更坚固的工程材料制备。

4.与声学喇叭相比，所描述的声结构体可以以更薄的结构体实现相同或更大的性能改进，尤其是在低超声频率下。

5.亥姆霍兹共振器受到以下要求的限制：即，共振器尺寸必须明显小于工作频率下的波长。这需要基本上为亚波长的换能元件，这限制了功率输出并限制了什么样的换能元件可用于此匹配概念。在本实施例中形成腔体的支撑结构体和挡板不需要直径基本上为亚波长，因此可以容纳较大的换能元件。前述设计与亥姆霍兹共振器之间的区别之一是，该设计驱动的声共振不具有在空间上均匀的压力(在本发明的情况下，必须包含选择的声学模式，该声学模式具有基本上不均匀的声压，带有径向压力变化)，然后在远端有一个开口/管道。在前面的部分中，这已被证明可推广到具有非均匀压力的任何结构体(管道、球体、喇叭等)。这包括具有模式结构体和开口的任何封闭体积。

III.

本发明的一个实施例是一种声匹配结构体，该结构体包括在使用中包含流体的腔体，该腔体具有基本平面的形状。该腔体由界定基本平面的尺寸的两个端壁和界定该腔体并基本垂直于端壁的侧壁来限定，其中该腔体具有由端壁之间的腔体的平面尺寸中的平均截面面积给出的面积A

本发明的另一实施例是一种声匹配层，该声匹配层包括：在操作中包含流体的腔体，该腔体具有基本平面的形状，具有界定基本平面的尺寸的两个端壁，并且具有由端壁之间的腔体的平面尺寸中的平均截面面积给出的面积A

本发明的另一实施例是一种声匹配层，该声匹配层包括：在操作中包含流体的腔体，该腔体具有基本呈管状的形状，界定管状尺寸的端部的两个端壁，其中中心线被定义为腔体内的一条线，该线将一个端壁的几何中心连接到另一端壁的几何中心，并以最大化其与最近边界(不包括沿其长度的每个点处的端壁)的距离的方式横穿腔体，该腔体具有由端壁之间的腔体的平均截面面积给出的面积A

本发明的另一实施例是一种声匹配层，该声匹配层包括：位于到体积介质中的声能的传输路径中的挡板；其中在操作中，挡板的存在激发了声学模式；其中至少一个轴的尺寸基本上小于腔体内的共振频率处的波长的一半，以及；其中至少一个轴的尺寸基本上等于或大于腔体内的共振频率处的波长的一半。

在以上任一实施例中，换能元件可以是致动器，其引起一个或两个端壁在基本垂直于端壁平面的方向上的振荡运动。

下面的实施例涉及纵向和其他(非径向)腔模式。

一个实施例是一种声匹配结构体，该声匹配结构体包括：在操作中包含流体的腔体，该腔体具有基本呈管状的形状，界定该管状尺寸的端部的两个端壁，其中中心线被定义为腔体内的一条线，该线一个端壁的几何中心连接到另一端壁的几何中心，并以最大化其与最近边界(不包括沿其长度的每个点处的端壁)的距离的方式横穿腔体。

腔体面积A

另一实施例是一种声匹配结构体，该声匹配结构体包括：位于到体积介质中的声能的传输路径中的挡板；其中在操作中，挡板的存在激发了声学模式；其中至少一个轴的尺寸基本上小于腔体内的共振频率处的波长的一半，以及；其中至少一个轴的尺寸基本上等于或大于腔体内的共振频率处的波长的一半。

1.一种用于换能器的声匹配结构体，所述结构体包括：

在使用中包含流体的腔体，所述腔体具有基本平面的形状；

界定所述腔体的所述基本平面的形状的两个端壁；

界定所述腔体并基本垂直于所述端壁的侧壁；

所述结构体限定由所述端壁之间的所述腔体的平面尺寸中的平均截面面积给出的面积A

其中所述腔体具有定义如下的有效侧壁半径r

r

放置在所述端壁和所述侧壁中的至少一个中的至少一个孔径；

其中所述腔体高度h

其中r

r

其中在操作中，对所述腔体端壁之一起作用的换能元件在所述腔体内的所述流体中产生声振荡；

因此，在使用中，所述腔体内的所述流体中的所述声振荡会导致压力波传播到周围声介质中。

2.根据条款1所述的声匹配结构体，

其中在操作中，所述腔体支持所述流体中的声振荡的共振频率，其中：所述共振频率确定由

其中r

至少一个孔径被放置在所述端壁和所述侧壁中的至少一个中；以及

至少一个声换能元件位于所述端壁和所述侧壁中的至少一个上；

使得所得到的声腔将所述声介质限制在所述腔体内，以引发共振模式，从而大大改善了声能从所述换能元件到所述孔径外部的所述介质的传输。

3.根据条款1或2所述的声匹配结构体，其中所述换能器包括致动器，所述致动器引起所述端壁中的至少一个沿着基本垂直于所述端壁的所述平面的方向的振荡运动。

4.根据上述任一条款所述的声匹配结构体，其中至少一个孔径位于所述端壁中在距所述侧壁小于r

5.根据上述任一条款所述的声匹配结构体，其中所述形状为长宽比小于2的圆形、椭圆形、正方形、多边形中的一种。

6.根据上述任一条款所述的声匹配结构体，其中所述孔径的面积A

A

7.根据上述任一条款所述的声匹配结构体，其中r

8.根据上述任一条款所述的声匹配结构体，其中所述腔体中包含的所述流体是空气，并且所述声速在300m/s至400m/s之间。

9.根据上述任一条款所述的声匹配结构体，其中h

10.根据上述任一条款所述的声匹配结构体，其中在使用中，所述腔体内的径向压力振荡的最低共振频率在200Hz至2MHz的范围内，并且优选地，在20kHz至200kHz的范围内。

11.一种声换能器，包括根据上述任一条款所述的声匹配结构体，以及致动器，其中在使用中，所述致动器的振荡运动的频率在所述腔体内的径向声振荡的最低共振频率的30％以内。

12.根据条款11所述的声换能器，其中所述致动器的所述端壁运动是与所述腔体内的所述压力振荡匹配的模式形状。

13.根据条款11或12所述的声换能器，其中所述致动器引起端壁的运动，其中位移轮廓接近贝塞尔函数。

14.根据条款11至13中任一项所述的声换能器，其中在使用中，所述腔体内的所述声压振荡具有位于所述腔体的中心的r

15.根据条款11至14中任一项所述的声换能器，其中在使用中，所述腔体壁中的孔径将所述内部腔体体积连接到周围声介质。

16.根据条款11至15中任一项所述的声换能器，其中所述孔径位于由挡板形成的端壁中，所述挡板通过其边缘被支撑并且通过所述侧壁与所述换能元件间隔开，而且位于所述腔体与所述周围声介质之间。

17.根据条款11至16中任一项所述的声换能器，其中所述致动器位于所述腔体与周围声介质之间，并且所述孔径位于由所述致动器的一个面形成的端壁中。

18.根据条款11至17中任一项所述的声换能器，其中所述致动器的位移在被致动时遵循弯曲形状。

19.根据条款11至18中任一项所述的声换能器，其中所述致动器的边缘的运动受到所述致动器支撑件的约束。

20.根据条款11至19中任一项所述的声换能器，其中所述致动器的所述中心的运动不受约束。

21.根据条款11至20中任一项所述的声换能器，其中所述换能元件是以下之一：压电致动器、电磁致动器、静电致动器、磁致伸缩致动器、热声换能元件。

22.根据条款11至21中任一项所述的声换能器，其中所述致动器支撑件的运动受到挡板的约束。

23.根据条款22所述的声换能器，进一步包括位于所述换能元件与所述挡板之间的薄膜匹配结构体。

24.根据条款22或23所述的声换能器，进一步包括位于所述挡板与所述外部声介质之间的薄膜匹配结构体。

25.根据条款22所述的声换能器，进一步包括位于所述换能元件与所述挡板之间的包含高度约为λ/4的孔径的穿孔板匹配结构体。

26.根据条款22所述的声换能器，进一步包括位于所述挡板与所述外部声介质之间的包含高度约为λ/4的孔径的穿孔板匹配结构体。

27.一种根据上述任一条款所述的声匹配结构体或换能器的阵列。

V.

尽管前面的描述公开了特定值，但是可以使用任何其他特定值来实现类似的结果。此外，可以选择和组合前述实施例的各种特征以产生改进的触觉系统的多种变型。

在前述说明书中，已经描述了特定实施例。然而，本领域的普通技术人员应理解，在不脱离如所附权利要求书所阐述的本发明的范围的情况下，可以进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而不是限制性的，并且所有这样的修改旨在被包括在本教导的范围内。

此外，在本文件中，诸如第一和第二、顶部和底部等之类的关系术语可以仅用于将一个实体或动作与另一实体或动作区分开，而不必要求或暗示这些实体或动作之间的任何实际的这种关系或顺序。术语“包括”、“包括”、“具有”、“具有”、“包含”、“包含”、“含有”、“含有”或其任何其他变体旨在涵盖非排他性包含，使得包括、具有、包含、含有元素列表的过程、方法、物品或设备不仅仅包括这些元素，而且还可以包括未明确列出或此类过程、方法、物品或设备固有的其他元素。在没有更多限制的情况下，以“包括......一个”、“具有......一个”、“包含......一个”、“含有......一个”开头的元素并不排除在包括、具有、包含和含有元素的过程、方法、物品或设备中存在其他相同的元素。除非本文另外明确规定，否则术语“一”和“一个”被定义为一个或多个。术语“基本上”、“实质上”、“近似地”、“大约”或其任何其他版本被定义为本领域普通技术人员所理解的接近。本文中使用的术语“耦合”被定义为连接，尽管不一定是直接的并且不一定是机械的。以某种方式“配置”的设备或结构体至少以这种方式配置，但也可以以未列出的方式配置。

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