专利名称：一种声学聚焦换能装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电信号转换为声信号，以及声信号聚焦的技术领域，具体来说，涉及一种声学聚焦换能装置。
背景技术：
声学聚焦换能器被广泛用于材料分析、声学显微成像、遥测遥控等领域。大多声学聚焦换能器利用输入的电信号产生的不同形式驱动力，带动振膜振动，实现电信号转换为声信号，再通过声学透镜等手段将声信号聚焦。在申请号为200420003466. 9的中国专利申请文件中，公开了一种减小主瓣宽度并延长景深的声学聚焦换能器，该换能器由引线、声学透镜和压电薄膜组成，其压电薄膜的两面分别镀有圆形电极和环形电极，其圆形电极同声学透镜的平面端连接，脉冲调制的微波信号通过引线分别施加压电薄膜的两个电极上，在压电薄膜中激发出机械振动，该振动通过声学透镜被汇聚到焦点区域内。该专利申请文件中，采用的就是传统声学聚焦换能器，即具有振动部件(压电薄膜)的声学聚焦换能器。传统声学聚焦换能器制作工艺复杂、并且长期使用过程中振膜易受潮、压电陶瓷部件会出现疲劳以致破裂。传统声学聚焦换能器中诸如压电薄膜等振动部件的工作性能不稳定、使用过程中易损坏，从而限制了传统声学聚焦换能器的发展。
发明内容技术问题本实用新型所要解决的技术问题是提供一种声学聚焦换能装置，利用电热材料焦耳效应、气体的热胀冷缩原理和凹面聚焦特性，将输入电信号转换为声信号， 并实现对声信号进行聚焦的装置，在该装置中省略了传统声学聚焦换能装置中的振动部件，从而提高了声学聚焦换能装置的工作稳定性，延长整个装置的使用寿命。技术方案为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是声学聚焦换能装置，包括信号源、导线和热致声辐射源，其中，所述的热致声辐射源包括加热层、电绝缘层和支撑块，支撑块的一面设置为曲面，电绝缘层覆盖在支撑块的曲面的表面，加热层覆盖在电绝缘层的表面，并且加热层是具有焦点的曲面；所述的导线分别连接信号源和热致声辐射源的加热层，使导线、信号源和加热层构成一闭合电路。有益效果与现有技术相比，采用本实用新型的技术方案的有益效果是提高了声学聚焦换能装置的工作稳定性，延长整个装置的使用寿命。传统的声学聚焦换能装置包括了振动部件，通过振动部件来实现电信号向声信号的转换，以及声信号的聚焦。而本技术方案从另一种角度出发，利用电热材料焦耳效应、气体的热胀冷缩原理和凹面聚焦特性，将输入电信号转换为声信号，并实现对声信号进行聚焦。本技术方案中仅设置了信号源、导线和热致声辐射源，整个装置结构简单。同时，本技术方案的声学聚焦换能装置不包含任何振动部件，从而减少了电信号转换为声信号的中间处理环节，提高了整个装置的工作稳定性， 延长了整个装置的使用寿命。另外，本技术方案中的信号源是具有调节输出功率功能的函数信号发生器，所以声学聚焦换能装置的工作频率和工作功率可选择。根据实验要求，声学聚焦换能装置的大小也可以根据需要做任意的改变，容易满足实验要求。本技术方案的声学聚焦换能装置在材料分析、声学显微成像、航空航天，军事等领域有着广泛的应用前景。
图1是本实用新型的结构示意图。图2是本实用新型中的热致声辐射源的俯视图。图3是图2中的A-A剖视图。图中有信号源1、加热层2、电绝缘层3、支撑块4、导线5、热致声辐射源6。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的技术方案作进一步的说明。如图1、图2和图3所示，本实用新型的一种声学聚焦换能装置，包括信号源1、导线5和热致声辐射源6。热致声辐射源6是将加热层2产生的热能转换为声能，并将声波辐射出去的一种声源装置。热致声辐射源6包括加热层2、电绝缘层3和支撑块4。支撑块4 的一面为曲面。该曲面可以设置在支撑块4的侧面。优选在支撑块4的顶面设置曲面，这样便于声学聚焦换能装置进行电信号转换为声信号，以及声信号聚焦的操作。电绝缘层3 覆盖在支撑块4的曲面的表面，加热层2覆盖在电绝缘层3的表面。这样，电绝缘层3嵌至在支撑块4和加热层2之间。加热层2为具有焦点的曲面，例如可以是抛物面或者凹球面。 由于加热层2覆盖在电绝缘层3上，电绝缘层3覆盖在支撑块4中的曲面上，所以，当支撑块4的一侧为抛物面或凹球面时，电绝缘层3和加热层2也相应地为抛物面或凹球面。导线5分别连接信号源1和热致声辐射源6的加热层2，使导线5、信号源1和加热层2构成一闭合电路。上述结构的声学聚焦换能装置的制作过程是首先选择一侧具有凹球面的铁块作为支撑块4，然后在支撑块4的凹球面涂摸一层厚为2mm、导热率为1. 2ff/(m · K)，工作温度为-55 V +250°C的耐高温绝缘胶作为电绝缘层3，随后将若干段宽1. 5mm、厚为0. 05mm 的镍铬合金电热材料条以串联的方式粘贴于电绝缘层3的表面，相邻镍铬合金电热材料条的间隙为0. 2mm，从而形成一表面为凹球面的加热层2。上述结构的声学聚焦换能装置的工作原理及过程是信号源1产生的具有一定周期和功率的电信号。当信号源1通过导线5与热致声辐射源6中的加热层2相连接时，由信号源1输出波形为正弦或矩形的电信号接入加热层2中。加热层2会产生瞬时的热信号， 促使加热层2表面的气体产生与热信号变化相一致的压力振荡，从而形成声信号并向外辐射。也就是说，利用加热层2的电热材料焦耳效应及电热材料足够薄、热惯性足够小特点， 使电热材料产生瞬时响应的热功率信号，并利用加热层2与其表面气体之间的热传导及气体热胀冷缩原理，使加热层2表面的气体产生压力振荡，从而电信号沿加热层2表面法线方向会辐射出与输入电信号相对应的声信号，实现了电信号转换为声信号。利用加热层2的曲面结构聚焦作用，使沿加热层2表面法向方向辐射出的声信号在抛物面或凹球面的焦点区域聚焦，此区域内声信号强度要大于其它区域的声信号强度，从而实现了辐射声信号的聚焦ο进一步，所述信号源1是具有调节输出功率功能的函数信号发生器。例如采用型号为TO1601P型的功率函数信号发生器。通过调节功率函数信号发生器的功率输出旋钮， 可达到调节热致声辐射源6输出声信号强度的目的。进一步，如图2所示，所述的加热层2是由电热材料条依次串接组成，并且相邻电热材料条之间有间隙。相邻电热材料条之间的连接可采用导线通过焊接、绞合连接或者缠接等常用的导线连接方式。这样，只需要用两根导线5，一根导线5连接信号源1的输入端和加热层2中第一个电热材料条的始端，另一根导线5连接信号源1的输出端和加热层2 中最后一个电热材料条的末端，就可以使导线5、信号源1和加热层2构成一闭合电路。为减小加热层2自身热惯性对声学聚焦换能装置性能的影响，电热材料条的导热率> IOff/ (m · K)、比热容< 500J/ (kg · K)，厚度< 0. 1mm。例如，采用镍铬合金材料，或铁铬铝合金材料制成电热材料条，然后电热材料条依次串接组成加热层2。通常情况下，电热材料条的宽度为0. 5mm 2mm，相邻电热材料条之间的间隙小于0. 5mm,进一步，由于构成加热层2的电热材料条产生的热功率中有交流和直流部分，其中的交流部分是产生声信号的根源，因此，电绝缘层3的组成材料必须电绝缘、导热率小， 可以有效抑制热功率中的交流部分流向电绝缘层3，以加强交流部分对加热层2表面气体的作用。所述的电绝缘层3由绝缘胶制成，其导热率在0.5W/(m· K) 1.5W/(m*K)之间， 例如可以是 0. 5ff/ (m · K)、Iff/ (m · K)禾口 1. 5ff/ (m · K)。进一步，为支撑加热层2和电绝缘层3，同时储存电绝缘层3传递来热量，支撑块4 采用机械强度彡MOMPa、比热容彡400J/(kg· K)的金属制成，例如采用铁块或铜块。
权利要求1.一种声学聚焦换能装置，其特征在于，该装置包括信号源(1 )、导线(5)和热致声辐射源(6)，其中，所述的热致声辐射源(6)包括加热层(2)、电绝缘层(3)和支撑块(4)，支撑块(4)的一面设置为曲面，电绝缘层(3)覆盖在支撑块(4)的曲面的表面，加热层(2)覆盖在电绝缘层(3)的表面，并且加热层(2)是具有焦点的曲面；所述的导线(5)分别连接信号源(1)和热致声辐射源(6)的加热层(2)，使导线(5)、信号源(1)和加热层(2)构成一闭合电路。
2.按照权利要求1所述的声学聚焦换能装置，其特征在于所述信号源(1)是具有调节输出功率功能的函数信号发生器。
3.按照权利要求1所述的声学聚焦换能装置，其特征在于所述的加热层(2)是由电热材料条依次串接组成，并且相邻电热材料条之间有间隙。
4.按照权利要求3所述的声学聚焦换能装置，其特征在于所述的电热材料条的导热率彡IOff/ (m · K)，比热容彡500J/ (kg · K)，厚度彡0. 1讓。
5.按照权利要求4所述的声学聚焦换能装置，其特征在于所述的电热材料条是由镍铬合金材料或者铁铬铝合金材料制成。
6.按照权利要求3、4或5所述的声学聚焦换能装置，其特征在于所述的每根电热材料条的宽度为0. 5mm 2mm，相邻电热材料条之间的间隙小于0. 5mm。
7.按照权利要求1所述的声学聚焦换能装置，其特征在于，所述的电绝缘层(3)是导热率在0. 5ff / (m · K) 1. 5ff / (m · K)之间的绝缘胶制成。
8.按照权利要求1所述的声学聚焦换能装置，其特征在于所述的支撑块(4)是由机械强度彡240MPa、比热容彡400J/(kg · K)的金属制成。
9.按照权利要求1所述的声学聚焦换能装置，其特征在于，所述的加热层(2)呈抛物面或者凹球面。
10.按照权利要求1所述的声学聚焦换能装置，其特征在于，所述的支撑块(4)的曲面位于支撑块(4)的顶面。
专利摘要本实用新型公开了一种声学聚焦换能装置，包括信号源、导线和热致声辐射源，所述的热致声辐射源包括加热层、电绝缘层和支撑块，支撑块的一面设置为曲面，电绝缘层覆盖在支撑块的曲面的表面，加热层覆盖在电绝缘层的表面，并且加热层是具有焦点的曲面；所述的导线分别连接信号源和热致声辐射源的加热层，使导线、信号源和加热层构成一闭合电路。该结构的声学聚焦换能装置无任何振动部件，能够将电信号转换为声信号并将声信号聚焦，从而提高了声学聚焦换能装置的工作稳定性，延长整个装置的使用寿命。
文档编号G10K11/26GK202049735SQ20112011748
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月20日 优先权日2011年4月20日
发明者万广通, 吴仲武, 姚丽, 王红星, 董卫 申请人:东南大学