一种增强超声波探测距离的聚声器

技术领域

本发明涉及超声波探测领域，具体涉及一种增强超声波探测距离的聚声器。

背景技术

目前，超声波探测使用的领域越来越广泛，超声波穿透能力强，探测深度可达数米；灵敏度高，可发现与直径约十分之几毫米的空气隙反射能力相当的反射体；在确定内部反射体的位向、大小、形状及性质等方面较为准确；仅须从一面接近被检验的物体；可立即提供缺陷检验结果。

压电换能器可用于将电流转换为声压场，也可以反过来通过声场产生电流。通常，这类器件常用于在空气和液体中产生超声波。要想超声波探测较远的距离，一般方法有增加换能器发射和接收响应，同时减小角度，需要将换能器横截面积增大，这种效果一般都不太理想，增加发射会增加余振，使盲区增加，因此体积小、探测远、角度小、盲区小的超声测距仪受到越来越大需求，特别是工业上的一些智能化、无人化检测设备。

发明内容

本发明提供一种增强超声波探测距离的聚声器，用于增加超声波的探测距离。

本发明通过下述技术方案实现：

一种增强超声波探测距离的聚声器，所述聚声器安装在产生超声波的压电换能器上，所述聚声器包括聚声器本体和聚声器连接部；所述聚声器本体构型来自于圆台侧面变形：圆台的两个底面不改变位置和大小，取该圆台的一条母线，所述母线与圆台面积小的底面交点为A，母线与圆台面积大的底面交点为B，其中A、B点位置不变，从A到B，线段AB向圆台内部凹进和向圆台外部凸出的变形交替出现形成了连续的曲线AB，线段AB变形后在平面坐标系不同横坐标的A、B两点之间的曲线AB之间至少存在一个凹函数和一个凸函数，凹进变形部分和凸出变形部分之间存在过渡点，变形后的曲线AB为聚声器本体母线；所述聚声器本体面积小的底面连接与该底面内径相同的聚声器连接部，所述聚声器连接部与压电换能器连接。

进一步，曲线AB中从A点到B点凹凸变形的幅度逐渐减小。

进一步，曲线AB存在过渡点C、D和E，点A和点C之间为凹进变形部分，点C和点D之间为凸出变形部分，点D和点E之间为凹进变形部分。

进一步，其特征在于，所述聚声器本体面积小的底面的面积不小于压电换能器横截面的面积。

进一步，所述聚声器本体底面水平时，线段AB和空间内的竖直直线夹角为15度-30度。

进一步，所述聚声器本体竖直高度为3-15倍超声波的波长。

进一步，所述聚声器本体采用超声波反射材料制成且聚声器本体内部光滑。

进一步，所述聚声器连接部为管状结构，聚声器连接部内部有与压电换能器外部适配的螺纹。

进一步，所述聚声器连接部有排水的小孔。

进一步，所述压电换能器内包括电源模块和无线传输模块，所述电源模块包括太阳能充电板。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1.本发明一种增强超声波探测距离的聚声器，该聚声器形状通过仿真得到，能够有效增加超声波的探测距离。

2.本发明一种增强超声波探测距离的聚声器，聚声器连接部有排水的小孔，在聚声器朝上时可以排除聚声器内部的水。

3.本发明一种增强超声波探测距离的聚声器，聚声器和压电换能器连接后变成一体，可进一步减小体积，加上电池模块和无线传输模块，可作为便携测距仪，存在太阳能充电板可作为室外检测仪。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明与压电换能器连接的结构示意图；

图3为压电换能器正前方4cm处超声波声压-频率图；

图4为本发明实施例压电换能器的几何结构图；

图5为本发明实施例压电换能器远场声压级的极坐标图；

图6为本发明实施例优化前的压电换能器加聚声器本体几何结构图；

图7为本发明实施例优化前的压电换能器加聚声器本体的远场声压级的极坐标图；

图8为本发明实施例优化后的压电换能器加聚声器本体几何结构图；

图9为本发明实施例优化后的压电换能器加聚声器本体的远场声压级的极坐标图；

图10为本发明另一个实施例的声压图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-聚声器本体，2-聚声器连接部，3-压电换能器，4-小孔，5-电源模块，6-无线传输模块，7-完美匹配层，8-优化前的聚声器本体，9-优化后的聚声器本体。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明与压电换能器连接的结构示意图；

一种增强超声波探测距离的聚声器，其特征在于，所述聚声器安装在产生超声波的压电换能器上3，所述聚声器包括聚声器本体1和聚声器连接部2；所述聚声器本体构型来自于圆台侧面变形：圆台的两个底面不改变位置和大小，取该圆台的一条母线，所述母线与圆台面积小的底面交点为A，母线与圆台面积大的底面交点为B，其中A、B点位置不变，从A到B，线段AB向圆台内部凹进和向圆台外部凸出的变形交替出现形成了连续的曲线AB，线段AB变形后在平面坐标系不同横坐标的A、B两点之间的曲线AB之间至少存在一个凹函数和一个凸函数，凹进变形部分和凸出变形部分之间存在过渡点，变形后的曲线AB为聚声器本体母线；所述聚声器本体面积小的底面连接与该底面内径相同的聚声器连接部，所述聚声器连接部与压电换能器连接。

曲线AB中从A点到B点凹凸变形的幅度逐渐减小。

曲线AB存在过渡点C、D和E，点A和点C之间为凹进变形部分，点C和点D之间为凸出变形部分，点D和点E之间为凹进变形部分。

所述聚声器本体面积小的底面的面积不小于压电换能器横截面的面积。

所述聚声器本体底面水平时，线段AB和空间内的竖直直线夹角为15度-30度。

所述聚声器本体竖直高度为3-15倍超声波的波长。

所述聚声器本体采用超声波反射材料制成且聚声器本体内部光滑。

所述聚声器连接部为管状结构，聚声器连接部内部有与压电换能器外部适配的螺纹。

所述聚声器连接部有排水的小孔4。

所述压电换能器内包括电源模块5和无线传输模块6，所述电源模块5包括太阳能充电板。

在实施例中，主要仿真的是聚声器本体1和压电换能器3。

实施例：

选用超声波发射的正前方作为探测范围，图3所示为压电换能器正前方4cm处超声波声压-频率图，由图3可知，压电换能器在40kHz左右发射较强，本实施例选用发射40kHz超声波的压电换能器。

本实施例利用comsol仿真软件对本发明进行仿真。

步骤1：聚声器及其优化建模:

从文件菜单中选择新建。

在新建窗口中，单击模型向导。

模型向导

在模型向导窗口中，单击二维轴对称。

在选择物理场树中选择声学>声-结构相互作用>声-压电相互作用，频域。

单击添加。

单击研究。

在选择研究数中选择一般研究>频率。

单击完成。

几何1

设置窗口，长度单位选择mm

多边形1

在几何工具栏中单击多边形。

在设置窗口，坐标，数据源选择矢量，在r坐标文本框键入“0 6.175 6.175 8 85.5 5.5 0”

在z坐标文本框键入“-50 -50 -53 -53 -59 -59 -50.685 -50.685”

矩形1

在几何工具栏单击矩形。

在矩形的设置窗口中，定位到大小和形状。

在宽度文本框中键入“3.25”

在高度文本框中键入“0.16”

定位到位置，在z坐标文本框键入“-50.845”

多边形2

在几何工具栏中单击多边形。

在设置窗口，坐标，数据源选择矢量，在r坐标文本框键入“0 24 24 6.5 6.5 0”

在z坐标文本框键入“0 0 0 -50 -50 -50”

圆

在几何工具栏单击圆。

在圆的设置窗口中，定位到大小和形状栏。

在半径文本框中键入“50”。

在扇形角文本框中键入“90”

单击以展开层栏，在表中层1，厚度(mm)栏框中键入“10”

单击构建所有对象。

在图形工具栏中单击缩放到窗口大小按钮。

全局定义

在模型开发器窗口的全局定义节点下，单击参数1。

在参数的设置窗口中，定位到参数栏。

在表中输入以下设置：

定义

积分1

1、在定义工具栏中单击组件耦合，然后选择积分。

2、在积分的设置窗口中，定位到源选择栏。

3、从几何实体层列表中选择边界。

4、选择“边界”8。

5、定位到高级栏。

变量：

1、在定义工具栏中单击局部变量。

2、在变量的设置窗口中，定位到变量栏。

3、在表中输入以下设置：

在pm的定义中，intop1()是积分耦合算子的名称，r是径向坐标，acpr.k是局部波数，theta是观测角，以及pz是相对于z轴的压力梯度。

完美匹配层7(pml1):表示无限大的空间，超声波在此区间被完全吸收

1、在定义工具栏中单击完美匹配层7。

2、选择“域”5。

添加材料：

1、在主屏幕工具栏中，单击添加材料以打开添加材料窗口。

2、转到添加材料窗口。

3、在模型树中选择内置材料>双击Air>Aluminum>Lead Zirconate Titanate(PZT-5H)。

4、在模型开发器窗口单击Lead Zirconate Titanate(PZT-5H)，在图形窗口栏选择域1

5、在模型开发器窗口单击Aluminum，在图形窗口栏选择域2

6、在主屏幕工具栏中，单击添加材料以关闭添加材料窗口。

压力声学，频域(ACPR)

在模型开发器窗口下单击压力声学，频域(acpr)，在图形窗口点击清除选择按钮，单击域3，4，5。

默认边界条件为硬声场，适用于聚声器表面和挡板，对PML域的外边界没有影响。因此，PML和入射平面波条件完全指定了模型的物理场。为准备结果处理，添加一个“远场计算”节点。

远场计算：

1、在物理场工具栏中单击边界，然后选择远场计算。

2、选择“边界”21。

3、从积分类型列表中选择全积分。

固体力学(solid)

1、在模型开发器窗口下单击固体力学(solid)，在图形窗口点击清除选择按钮，单击域1，2。

2、在模型开发器窗口下，点击压电材料1，在图形窗口点击清除选择按钮，单击域1。

3、在模型开发器窗口下，定位到压电材料1，点击鼠标右键，选择机械阻尼，在设置窗口栏，阻尼类型选择瑞利阻尼，质量阻尼参数键入“4e4”，刚度阻尼参数键入“2.2e-8”

静电(es)

1、在模型开发器窗口下单击静电(es)，在图形窗口点击清除选择按钮，单击域1。

2、在物理场工具栏中单击边界，然后选择接地，在图形窗口栏选择边界4。

3、在物理场工具栏中单击边界，然后选择电势，在图形窗口栏选择边界2。在设置窗口栏电势文本框键入“60”

变形几何(dg)

1、在主屏幕工具栏中，点击添加物理场，展开数学>变形网格>变形几何(dg)，点击变形几何，添加到组件，关闭添加物理场窗口，在图形窗口单击清除选择，再选择域“3”。

2、右键单击模型开发器的变形几何，选择自由变形，在图形窗口选择域“3”

3、右键单击模型开发器的变形几何，选择指定网格位移，在图形窗口选择边界“17”

4、在指定网格位移设置栏中，在dr文本框键入“dr”

网格1

以40kHz频率运行模型，对应于略小于8.5mm的波长。使用每波长至少六个单元的标准规则，最大单元大小为1.4mm是个不错的选择。通常，四边形网格在网格变形时更不易发生单元翘曲。因此，在除PML以外的其他任何位置都使用非结构化的四边形网格，在PML中，使用与径向和切向对齐的映射网格效果更好。

自由四边形网格：

1、在模型开发器窗口的组件1(comp1)节点下，右键单击网格1并选择自由四边形网格。

2、在自由四边形网格的设置窗口中，定位到域选择栏。

3、从几何实体层列表中选择域。

4、选图形窗口择“域”1-4。

大小：

1、在模型开发器窗口中，单击大小。

2、在大小的设置窗口中，定位到单元大小栏。

3、单击定制按钮。

4、定位到单元大小参数栏。在最大单元大小文本框中键入“1.4”。

映射：

在模型开发器窗口中，右键单击网格1并选择映射。

分布：

1、在模型开发器窗口中，右键单击映射1并选择分布。

2、在图形窗口选择“边界”9。

3、在分布的设置窗口中，定位到分布栏。

4、在单元数文本框中键入“8”。

5、单击全部构建。

研究1：仿真压优化前的压电换能器加聚声器本体

1、在频域的设置窗口中，定位到研究设置栏，频率单位选择kHz

2、在频率文本框中键入“range(35,1,45)”。

3、单击计算

结果

在模型开发器下右键结果，选择一维绘图组，再右键选择点图，在图形窗口选择点5

在y轴数据，表达式文本框键入“acpr.absp”

3、单击绘制

优化前远场声压级

1、在模型开发器下单击远场声压级。

2、参数选择，选择来自列表，参数值下拉框选择40

3、点击远场声压级(acpr)1，并展开，单击远场1，在设置窗口，计算，角数文本框键入“200”，限制选择手动，启动文本框键入“-90”，在范围文本框键入“180”，评估距离，半径文本框键入“1000”

4、单击绘制

优化前聚声器形状

在模型开发器下结果下展开应力(solid)，展开表面1，右键变形，选择禁用

图形窗口栏单击缩放到窗口大小

研究2：仿真压优化后的压电换能器加聚声器本体

1、在主屏幕工具栏中，单击添加研究以打开添加研究窗口。

2、转到添加研究窗口。

3、找到研究子栏。在选择研究树中选择一般研究>频域。

4、单击窗口工具栏中的添加研究。

5、在主屏幕工具栏中，单击添加研究以关闭添加研究窗口。

6、定位到模型开发器研究2，单击步骤1：频域，在频域的设置窗口中，定位到研究设置栏，频率单位选择kHz。

在频率文本框中键入“f0”。

在模型开发器窗口中，单击研究2。

在研究的设置窗口中，在标签文本框中键入“研究2-优化解”。

优化：

1、在研究工具栏中单击优化。

2、在优化的设置窗口中，定位到优化求解器栏。

3、从方法列表中选择SNOPT。

4、定位到目标函数栏。在表中输入以下设置：

表达式 描述 计算

10*log10(0.5*realdot(comp1.pm,comp1.pm)/2e-5^2) 声压级 频域

设置一个MaxMin问题，优先考虑最差目标函数相关的频率。

5、从类型列表中选择最大化。

6、定位到控制参数和变量，点击添加，选择参数q1，在点击添加，选择参数q2，以此方法，添加q1-q5，添加参数设置如下：

7、点击模型开发器下面的研究2-优化解，选择计算

结果

点击远场声压级(acpr)1，并展开，单击远场1，在设置窗口，计算，角数文本框键入“200”，限制选择手动，启动文本框键入“-90”，在范围文本框键入“180”，评估距离，半径文本框键入“1000”

单击绘制

优化后聚声器形状

在模型开发器下结果下展开应力(solid)1，展开表面1，右键变形，选择禁用

图形窗口栏单击缩放到窗口大小

模型保存

1、单击主界面保存按钮，将文件名改为“聚声器及其优化建模”

2、单击右上角关闭按钮

步骤2：无聚声器建模

几何模型更改

将聚声器及其优化建模，整个模型复制，更改文件名为“无聚声器建模”

双击打开无聚声器建模

定位到模型开发器，展开组件1，几何1，多边形2

右键多边形2，选择禁用

在主屏幕工具栏中，单击几何

单击变换，选择移动

在图形窗口选择几何域pol1，r1

设置栏，定位到位移，在z坐标文本框键入“50”

单击构建所有对象

单击模型开发器下面的研究1，在设置栏单击计算

结果

在模型开发器，结果，单击远场声压级(acpr)

在图形窗口栏单击缩放到窗口大小

无聚声器模型形状

在模型开发器下结果下展开应力(solid)，展开表面1，右键变形，选择禁用

2、图形窗口栏单击缩放到窗口大小

在该仿真中，压电换能器3几何结构如图4所示，压电换能器3远场声压级的极坐标图如图5所示。

模型采用内置的“声-压电相互作用，频域”多物理场接口，其中耦合了三个基本物理场接口：“压力声学”、“固体力学”和“静电”。第一个物理场接口求解换能器周围流体介质中的波动方程，后两个接口用于压电效应建模。

在空气域中，没有体积声源，假设压力呈时谐变化，则描述声压分布的波动方程为：

方程(1)由“压力声学，频域”接口求解。

压电域材料为PZT-5H，这是压电换能器中常用的材料。压电材料通过求解“固体力学”和“静电”接口来模拟，这两个接口通过线性本构方程相耦合，该方程将应力、应变与电位移、电场相关联。这两个物理场接口分别求解应力平衡和电荷守恒方程，如方程(2)和方程(3)所示。

在COMSOL Multiphysics中，这种耦合通过“模型开发器”中“多物理场”分支下的“压电效应”节点自动实现。

在此模型中，激励频率设40kHz，在超声波范围内。

边界条件：

在换能器的上表面施加60V的交流电压，换能器底部接地。

在空气与固体域的界面处，固体(压电换能器)结构边界加速度的法向分量用于驱动空气域，由以下方程描述：

其中an是法向加速度。空气与固体域之间界面处的声压作为固体上的边界载荷，

n·σ＝p

当使用内置的“声-压电相互作用，频域”接口时，“多物理场”分支下的“声-结构边界”节点会自动实现固体与空气界面处的双向耦合。对“压力声学，频域”接口和“固体力学”接口分别指定对应的几何结构后，软件会立即自动检测到耦合界面。

在空气域的外表面使用“球面波辐射”边界条件，这里用完美匹配层7代替“球面辐射波”，这有助于实现以下理念，即在现实中，空气域无限延伸，球面波前从截断空气域的几何边界开始向外传播，同时反射的波达到最少。此外，还在同一边界上建立了“远场计算”，有助于计算远场极限下的声压和声压级。

在研究1求出压优化前的压电换能器加聚声器本体几何结构如图6所示，优化前的压电换能器加聚声器本体的远场声压级的极坐标图如图7所示。其中，优化前的聚声器本体8母线是线段。

在研究2求出优化后的压电换能器加聚声器本体几何结构如图8所示，优化后的压电换能器加聚声器本体的远场声压级的极坐标图如图9所示。其中，优化后的聚声器本体9母线是曲线，该曲线中从下往上凹凸变形的幅度逐渐减小。此时聚声器本体竖直高度5.2cm，为此时波长的6.1倍。

向轴对称的聚声器馈送一个平面波模式，从无限挡板向开放半空间辐射。假设馈送波导的半径固定，并且聚声器的深度以及聚声器附接到挡板的孔的尺寸也固定。通过改变聚声器初始锥形表面的曲率，可以改变聚声器的方向和阻抗。

将表面进行参数化。优化变量的数量由多项式的阶数决定，使用较高的值，则目标函数的自由度较大，最终值可能更优，但同时也会使优化过程更易受影响，产生不适合生产的形状。

优化只能应用于实值函数，因为复值函数的最小值没有明确定义。但频域声学仿真得到的原始结果是复值压力场。由此可以生成实值的标量物理量，用作优化过程中的目标函数。然而，将复数转换成实值的任何运算都是非解析的，这意味着它的导数可能并不唯一。

默认情况下，“优化模块”中基于梯度的优化求解器通过求解伴随方程来计算目标函数的导数，这个过程要求以特殊方式选择任何非解析函数的符号导数。最常用于获得实值目标函数的复合函数abs(z)和conj(z)的默认特性是返回平行于实轴的派生值，然而，这一特性不适用于伴随方法，在伴随方法中需要作如下定义

在COMSOLMultiphysics中，确实可以重新定义内置函数的符号导数，但在本例中，使用特殊函数realdot(z1,z2)更方便，该函数计算为real(z1·conj(z2))，但根据方程(4)求微分。特别是，可以使用realdot(pm,pm)/p0形式的表达式作为测量聚声器传输属性的一种方法，其中pm是在聚声器前方某点处测得的压力，p0是入射波的(实数并且是常数)振幅。

如果选择在近场中计算pm，或者能够在聚声器前方包含足够大的域来有效测量模型中某点处的外场值，则可以简单地将pm测量为几何顶点的局部压力。然而，为了有效地优化方向性图，应该使用外场压力随着轴夹角变化情况的积分表示来定义pm。对于扬声器，通常这是1m距离处计算得到的压力或SPL。

COMSOLMultiphysics包含用于计算这种外场积分的优化代码，然而，这是一个纯后处理特征，不支持伴随方法所要求的自动微分。因此，仍采用轴对称形式中给定的亥姆霍兹-基尔霍夫积分的定义。

R＝(R，Z)|R|→∞ （5）

如果将无限挡板放置在z＝0处，则其效果与添加聚声器镜像并同时移除挡板的效果相同。此外，如果积分面是在挡板平面中聚声器的最宽端，则方程(5)中的大多数项将取消，只剩下

方程(6)其中J0是0阶第一类贝塞尔函数，引入了与轴的夹角作为参数。在COMSOLMultiphysics中使用积分算子可以轻松实现这个积分。

采用这种方法，优化的度量就基于外场的远场限制，在距离大于瑞利半径情况下有效，

优化作为一项规则，意味着针对不同设计对模型进行多次计算，这可能非常耗时。另外，可以利用求解器计算多个频率下的每种设计，并对每个频率的目标函数值的总和进行优化。

仿真结果如下：

如上仿真结果显示本实施例中的聚声器能够明显增加超声波的探测距离。

实施例2：

在上述实施例的基础上，选用产生200kHz超声波的压电换能器，仿真中的第一个默认绘图为声压图10，在图10中点F和点G之间为凸出变形部分，点G和点H之间为凹进变形部分，点H和点I之间为凸出变形部分。聚声器本体竖直高度为2.1cm，为此时波长的12倍。FJ与竖直直线的角度为19度。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。