包括小喇叭阵列的匹配结构、超声换能器及超声流量计的制作方法

包括小喇叭阵列的匹配结构、超声换能器及超声流量计的制作方法
【专利摘要】本申请涉及包括小喇叭阵列的匹配结构、超声换能器及超声流量计。提供了一种用于在超声换能器中使用的整体式匹配结构。该匹配结构包括小喇叭阵列。小喇叭阵列包括背板、多个喇叭和前板。所述多个喇叭从背板延伸。喇叭中的每个喇叭包括底部和颈部。底部邻近背板。颈部从底部延伸。底部的横截面积大于颈部的横截面积。前板邻近喇叭中的每个喇叭的颈部。
【专利说明】
包括小喇叭阵列的匹配结构、超声换能器及超声流量计
技术领域
[0001]本申请涉及超声测量领域，具体地，涉及包括小喇叭阵列的匹配结构、超声换能器及超声流量计。
【背景技术】
[0002]诸如天然气的流体经由管道输送至各地。需要准确地知道管道中流动的流体的量，并且当流体被交易或“密封输送”时，需要特别准确地知道管道中流动的流体的量。然而，即使在不发生密封输送的情况下，也需要测量准确性，在这些情况下，会用到流量计。
[0003]超声流量计为可以用于测量管道中流动的流体的量的一种流量计。超声流量计具有用于密封输送的足够准确性。在超声流量计中，声学信号被来回发送穿过要被测量的流体流。基于接收到的声学信号的参数来确定流量计中的流体流速。可根据计算出的流速以及流量计的已知截面面积来确定流过流量计的流体的体积。超声流量计包括生成并且检测声学信号的换能器。

【发明内容】

[0004]本文公开了一种包括小喇叭阵列的超声换能器，所述小喇叭阵列适合于在使用超声流量计来测量流体流动时使用。在一个实施例中，超声流量计包括用于要被计量的流体流的流动的中央通路和多对超声换能器。每对换能器被配置成形成跨越换能器之间的中央通路的弦路径。换能器中的每个换能器包括压电晶体和匹配结构。匹配结构包括一侧声耦接至压电晶体的小喇叭阵列，并且匹配结构被配置成提供压电晶体与流体流之间的声阻抗匹配。小喇叭阵列包括背板、多个喇叭和前板。背板邻近压电晶体。多个喇叭从背板远离压电晶体延伸。喇叭中的每个喇叭包括底部和颈部。底部邻近背板。颈部从底部延伸。底部的横截面积大于颈部的横截面积。前板邻近喇叭中的每个喇叭的颈部。
[0005]在另一实施例中，用于在超声流量计中使用的超声换能器包括圆柱形壳体、压电晶体和匹配层。圆柱形壳体被配置成用于安装在超声流量计中。压电晶体被布置在壳体内。匹配层耦接至壳体，并且匹配层包括小喇叭阵列。小喇叭阵列一侧耦接至压电晶体，并且小喇叭阵列被配置成提供压电晶体与在小喇叭阵列的与第一侧相反的一侧的流体流之间的声阻抗匹配。小喇叭阵列包括背板、多个喇叭和前板。背板邻近压电晶体。多个喇叭从背板远离压电晶体延伸。喇叭中的每个喇叭包括底部和颈部。底部邻近背板。颈部从底部延伸。底部的横截面积大于颈部的横截面积。前板邻近喇叭中的每个喇叭的颈部。
[0006]在又一实施例中，用于在超声换能器中使用的匹配层包括小喇叭阵列。小喇叭阵列包括背板、多个喇叭和前板。多个喇叭从背板延伸。喇叭中的每个喇叭包括底部和颈部。底部邻近背板。颈部从底部延伸。底部的横截面积大于颈部的横截面积。前板邻近喇叭中的每个喇叭的颈部。
【附图说明】
[0007]为了详细描述本发明的示例性实施例，现在将参照附图，在附图中:
[0008]图1示出根据本文公开的原理的超声流量计；
[0009]图2示出根据本文公开的原理的超声流量计的俯视截面图；
[0010]图3示出根据本文公开的原理的超声流量计的端部正视图；
[0011]图4示出根据本文公开的原理的超声流量计的换能器对的布置；
[0012]图5示出包括根据本文公开的原理的小喇叭阵列的超声换能器；
[0013]图6至图16示出根据本文公开的原理的小喇叭阵列的视图；
[0014]图17示出包括根据本文公开的原理的围绕小喇叭阵列的保护环的换能器。
【具体实施方式】
[0015]在后续的整个说明书和权利要求书中，使用某些术语来指称特定的系统部件。如本领域技术人员将理解的，各公司可能会以不同的名称指称一个部件。本文并不打算对命名不同而功能相同的部件进行区分。在以下讨论中以及在权利要求书中，术语“包括(“including”和“comprising” )，，以开放式的方式使用，并因而应当被解释为表示“包括，但不限于……”。另外，术语“耦接(“couple”或“couples”)”意在表示间接的或直接的电连接。因此，如果第一装置耦接至第二装置，则该连接可以通过直接电连接或者通过经由其他装置和连接件的间接电连接。表述“基于”意在表示“至少部分地基于”。因此，如果X基于Y，则X可以基于Y以及任何数目的其他因素。
[0016]以下描述针对本发明的各个实施例。附图并不是成比例的。实施例的某些特征可能以放大的比例示出或者以某种示意性的形式示出，并且为了清楚和简明，没有示出常规元件的一些细节。所公开的实施例不应被解释为或者被用于限制包括权利要求的范围的本公开的范围。另外，本领域技术人员将理解:以下描述具有广泛的应用，并且对任意实施例的讨论仅意在对该实施例的例示并且不意在暗示包括权利要求的范围的本公开的范围限于该实施例。要充分认识到的是，下面讨论的实施例的不同教导可以被分别采用或者按照任意合适组合采用以产生期望的结果。此外，各个实施例在测量碳氢化合物流(例如，原油、天然气)的背景下展开，并且描述沿袭发展背景，然而所描述的系统和方法同样适用于对任意流体流的测量。
[0017]在极端温度环境下计量流体流提出许多挑战。在传统超声流量计中，换能器包括低密度环氧树脂匹配层，其提供换能器的高密度压电晶体与流过计量仪的相对低的密度的流体之间的良好声学匹配。遗憾的是，压电晶体和低密度环氧树脂的热膨胀系数的不匹配能够使得低密度环氧树脂在暴露于时常出现于流体测量环境中的温度极限、温度循环和/或高压时破裂。此外，环氧树脂化学抗性低，特别是对于天然气的化学侵蚀性成分化学抗性低。破裂和/或剥落的环氧树脂匹配层将换能器性能降低到指示更换换能器的程度一一这反过来会要求中断流体流过流量计和相关联的管道系统。
[0018]本文所公开的超声换能器的实施例包括在暴露于严酷的环境条件时不会遭受故障的匹配结构。本公开的匹配结构包括小喇叭阵列而非低密度环氧树脂。具有小喇叭阵列的匹配结构是整体式的、由同一化学抗性材料例如钛制成的，使得热膨胀系数与压电晶体和/或换能器壳体不匹配不是问题或并非关键。喇叭提供压电晶体与流过超声流量计的流体之间的阻抗匹配。
[0019]图1示出根据本文公开的原理的超声流量计100。超声流量计100包括限定中央通路或中央孔104的计量仪本体或管段件102。管段件102被设计并构造为耦接至运送流体(例如，天然气)的管道或其他结构(未示出)，使得管道中流动的流体穿过中央孔104。在流体穿过中央孔104的同时，超声流量计100测量流率(因此，流体可以被称为被测流体)。管段件102包括凸缘106，凸缘106有助于将管段件102耦接至另一结构。在其他实施例中，可以等同地使用用于将管段件102耦接至一个结构的任何适当系统(例如，焊接连接)。
[0020]为了测量管段件102内的流体流动，超声流量计100包括多个换能器组件。在图1的视图中，五个这样的换能器组件108、110、112、116和120被完全示出或被部分示出。如将在下面进一步讨论的，换能器组件是成对的(例如，换能器组件108和110)。此外，每个换能器组件电耦接至控制电子包124。更具体地，每个换能器组件通过相应的电缆126或等同的信号传导组件电耦接至控制电子器件包124。
[0021]图2示出了超声流量计100的大致沿图1的线2-2截取的俯视截面图。管段件102具有预定的尺寸并且限定被测流体穿过其流过的中央孔104。沿着管段件102的长度定位有图示的一对换能器组件112和114。换能器组件112和114包括声波收发器，并且更具体地包括交替作为发射器和接收器进行操作的超声换能器222。超声换能器222生成并且接收具有约20千赫兹以上的频率的声学信号。
[0022]声学信号可通过每个换能器中的压电元件来生成和接收。为生成超声信号，压电元件通过信号(例如，正弦信号)被电激发;并且元件通过振动来响应。压电元件的振动生成穿过被测流体到达所述一对换能器组件中的对应换能器组件的声学信号。类似地，当被声学信号冲击时，接收的压电元件振动并生成电信号(例如，正弦信号)，该电信号由与流量计100(例如，控制电子器件124)相关联的电子器件来检测、数字化和分析。
[0023]路径200，又称为“弦”，相对于中央孔中心线202以角度Θ存在于所图示的换能器组件112与114之间。弦200的长度为换能器组件112的面与换能器组件114的面之间的距离。点204和206限定了由换能器组件112和114生成的声学信号进入和离开流过管段件102的流体的位置。换能器组件112和114的位置可以通过角度Θ、通过在换能器组件112和114的面之间测量的第一长度L、与点204和点206之间的轴向长度对应的第二长度X、以及与管内直径对应的第三长度d来限定。在多数情况下，距离d、X和L在流量计制造期间被精确地确定。诸如天然气之类的被测流体沿方向208以速度剖面210流动。速度矢量212、214、216和218图示穿过管段件102的气体速度朝向管段件102的中心线202增大。
[0024]开始时，下游换能器组件112生成入射到上游换能器组件114并因此由上游换能器组件114检测的超声信号。一段时间之后，上游换能器组件114产生返回的超声信号，该返回的超声信号随后入射到下游换能器组件112并由下游换能器组件112检测。因此，换能器组件沿着弦路径200交换或“一发一收”超声信号220。在操作期间，该序列每分钟会发生数千次。
[0025]在图示的换能器组件112与114之间的超声信号220的渡越时间部分地取决于超声信号220相对于流体流动是向上游行进还是向下游行进。向下游行进(S卩，在与流体流动的方向相同的方向上)的超声信号的渡越时间小于其在向上游(即，逆着流体流动)行进时的渡越时间。上游渡越时间和下游渡越时间可以用于计算沿着信号路径的平均速度以及声音在被测流体中的速度。在承载流体的流量计100的截面尺寸给定的情况下，可以使用中央孔104的区域上的平均速度来获得流过管段件102的流体的体积。
[0026]超声流量计可具有一个或更多个弦。图3示出了超声流量计100的端部正视图。具体地，图示的超声流量计100包括位于管段件102内不同高度的四个弦路径A、B、C和D。每个弦路径A至D均对应于交替作为发射器和接收器进行操作的换能器对。换能器组件108和110(仅部分可见)构成弦路径A。换能器组件112和114(仅部分可见)构成弦路径B。换能器组件116和118(仅部分可见)构成弦路径C。最后，换能器组件120和122(仅部分可见)构成弦路径D0
[0027]关于图4示出所述四对换能器组件的布置的另一方面，图4示出俯视图。每个换能器组件对对应于图3的单个弦路径;然而，换能器组件相对于中心线202以非垂直角度安装。例如，第一对换能器组件108和110相对于管段件102的中心线202以非垂直的角度Θ安装。另一对换能器组件112和114被安装成使得弦路径相对于换能器组件108和110的弦路径大致地形成“X”形状。类似地，换能器组件116和118平行于换能器组件108和110进行布置，但处于不同的“水平”或高度。第四对换能器组件(即，换能器组件120和122)在图4中未明显示出。考虑图2、图3和图4，换能器组件对可以被布置成使得与弦A和弦B相对应的上面两对换能器组件形成“X”形状，并且与弦C和弦D相对应的下面两对换能器组件也形成“X”形状。流体的流动速度可以在每个弦A至D处被确定，以获得弦流动速度，并且弦流动速度被组合以确定整个管上的平均流动速度。根据平均流动速度，可以确定管段件中流动的流体的量，并因此确定管道中流动的流体的量。
[0028]通常，控制电子器件(例如，控制电子器件包124)使换能器222发射、接收换能器的输出，计算关于每个弦的平均流动速度，计算关于计量仪的平均流动速度，计算穿过计量仪的体积流率以及执行计量仪诊断。然后，体积流率以及可能的其他测量值和计算值例如流动速度和声音速度被输出至计量仪100的外部的另外的装置例如流量计算机。
[0029]图5示出超声换能器222的截面示图。超声流量计100的每个换能器(例如，换能器组件108、110、112、114、116、118、120、122的换能器222)可以与图5所示的换能器222在结构上类似或相同。换能器222包括壳体502、电/声换能器514以及一端具有小喇叭阵列506的整体式匹配末端504 ο壳体502可以大体上为圆柱形的，并且由金属例如钛、INC0NEL(因科内尔镍铬铁耐热耐蚀)合金或不锈钢构成。电/声换能器514和具有小喇叭阵列506的匹配末端504可以布置在壳体504的一端。电/声换能器514可以使用机械地支承电/声换能器514的支持器516被布置在壳体502的内部，以及小喇叭阵列506可以耦接至壳体502的外部。在支持器516的内部，线520将电/声换能器514与电匹配和/或保护元件518相连，电匹配和/或保护元件518包含例如分流电阻器和/或阻尼二极管。连接至连接器针522的线520连接至电缆126。
[0030]电导线520将电/声换能器514通过针522和电缆126连接至控制电子器件包124(图1)，控制电子器件包124向电/声换能器514传送电信号并且从电/声换能器514接收电信号。电/声换能器514为发射和接收超声能量的有源元件。电/声换能器514可以包括压电材料例如锆钛酸铅(PZT)。施加在压电材料的电极之间的电压在压电材料内产生电场，所产生的电场使压电材料改变形状并且发射声能。冲击在压电材料上的声能使压电材料改变形状并且在电极之间形成电压。
[0031]小喇叭阵列506充当用于在高阻抗电/声换能器514与在中央孔104中流动的低阻抗流体之间的声阻抗匹配的整体式匹配层。具有小喇叭阵列506的整体式匹配末端504可以由塑料或金属形成。例如，小喇叭阵列506可以由IN⑶NEL合金或钛形成。小喇叭阵列506包括背板508、多个喇叭510和前板512。小喇叭阵列506的直径可以例如近似为一英寸。背板508可以例如近似0.15英寸厚。前板512可以例如近似0.03英寸厚。背板508的第一面邻近电/声换能器514并且背板508的第二面(与第一面相反)邻近喇叭510，以在喇叭510与电/声换能器514之间传递声能。前板512附接至喇叭510、与背板508相对，并且将声能从喇叭510传递到流过中央孔104的流体中以及将声能从流体传递到喇叭510中。
[0032]小喇叭阵列506可以包括大量喇叭510，例如12-100个喇叭。大量喇叭510—起提供大的声学有效工作区。小喇叭阵列506可以被设计成以在50-500千赫兹的范围内的工作频率以及在0.1 -7 MRay I s的范围内的声阻抗进行操作。喇机510中的每个喇叭包括邻近背板508的底部以及从底部延伸并且邻近前板512的颈部。颈部的横截面积小于底部的横截面积。
[0033]小喇叭阵列506的实施例可以包括具有各种形状的喇叭510。图6示出具有小喇叭阵列606的匹配末端604的一个实施例的侧向截面图，其中，小喇叭阵列606含有具有如图7所示的方形横截面的喇叭。小喇叭阵列606充当小喇叭阵列506。小喇叭阵列606包括背板608、喇叭610和前板612。喇叭610中的每个喇叭包括颈部616和底部614。图7示出小喇叭阵列606的前截面图。喇叭610具有方形横截面。一些实施例可以具有矩形横截面。每个喇叭610的最接近底部614的区域与最接近颈部616的区域相比可以具有相等或较小的曲率半径。喇叭610的底部614可以通过以下来形成:创建穿过匹配末端604的整体式本体一一该整体式本体优选圆柱形杆一一的具有第一直径r 618的第一组孔(或通道)，并且创建穿过圆柱的与第一组孔相交且垂直的具有第一直径r 618的第二组孔。喇叭610的颈部616可以通过以下来形成:创建穿过圆柱的具有第二直径R 620——第二直径R 620等于或大于第一直Sr 618(R>r)——的第三组孔，并且创建穿过圆柱的与第三组孔相交且垂直的具有第二直径R 620的第四组孔。第二较大直径孔620的中心相对于第一较小直径孔618的中心沿纵向(轴向)方向向前板在从R_r至R+r的范围内移动。孔之间的材料形成具有底部614和颈部616的喇叭610。可以通过钻孔或任意其他孔形成技术在整体式结构中创建第一、第二、第三和第四组孔。第一直径和第二直径可以例如分别近似为0.05英寸和0.10英寸以提供接近125 kHz的操作频率。喇叭颈部可以例如近似为0.03英寸，以及相邻喇叭610之间的间距(周期)可以例如近似为0.115英寸。喇叭610可以近似为0.125英寸长。小喇叭阵列的操作频率以及类似地声阻抗基本上正比于喇叭颈部截面面积，反比于喇叭长度和基本喇叭单元的横截面积(周期)。前板的厚度降低操作频率并且增加小喇叭阵列的声阻抗。
[0034]虽然喇叭610具有图6所示的阶梯形侧剖面，但是其他实施例可以具有指数、圆锥形或其他剖面。图8示出具有半圆弧剖面的小喇叭阵列806的实施例的侧向截面图。小喇叭阵列806可以充当小喇叭阵列506。小喇叭阵列806包括背板808、喇叭810和前板812。喇叭810中的每个喇叭包括颈部816和底部814。图9示出小喇叭阵列806的前截面图。喇叭810具有方形(或矩形)横截面。喇叭810的底部814和颈部816可以通过以下来形成:创建穿过圆柱的具有第一直径的第一组孔以及穿过圆柱的与第一组孔相交且垂直的具有第一直径的第二组孔。孔之间的材料形成喇叭810。可以通过钻孔或任意其他孔形成技术来创建第一组孔和第二组孔。第一直径可以例如近似为0.10英寸。相邻喇叭810之间的间距(周期)可以例如近似为0.115英寸。
[0035]图10示出小喇叭阵列1006的实施例的前截面图。小喇叭阵列1006可以充当小喇叭阵列506。在一些实施例中，阵列1006可以如同阵列806的包括单一直径的孔，而在其他实施例中，阵列1006可以如同阵列606包括两种不同直径的孔。在小喇叭阵列1006中，喇叭1010具有六边形横截面。喇叭1010可以通过以下来形成:创建穿过圆柱的具有第一直径的第一组孔，创建穿过圆柱的与第一组孔相交并且成60°的具有第一直径的第二组孔，以及创建穿过圆柱的与第一组孔相交并且成120°角的具有第一直径的第三组孔。孔之间的材料形成喇口Λ1010。为了制作六边形横截面，第三组孔穿过在第一组孔和第二组孔的相交处的结构。在如同阵列606的包括两种不同直径的孔的实施例中，具有第二直径的孔如阵列606(图6)所图示与具有第一直径的孔对准。可以通过钻孔或任意其他孔形成技术来创建孔。
[0036]图11示出小喇叭阵列1106的实施例的前截面图。小喇叭阵列1106可以充当小喇叭阵列506。在一些实施例中，阵列1106可以如同阵列806包括单一直径的孔，而在其他实施例中，阵列1106可以如同阵列606包括两种不同直径的孔。在小喇叭阵列1106中，喇叭1110具有长菱形横截面。喇叭1110可以通过以下来形成:创建穿过圆柱的具有第一直径的第一组孔，创建穿过圆柱的与第一组孔相交并且成30°至小于90°的角的具有第一直径的第二组孔。在一些实施例中，可以以与第一组孔近似成60°角来形成第二组孔。孔之间的材料形成喇叭1110。在如同阵列606的包括两种不同直径的孔的实施例中，具有第二直径的孔如阵列606(图6)所图示与具有第一直径的孔对准。可以通过钻孔或任意其他孔形成技术来创建孔。
[0037]图12示出小喇叭阵列1206的实施例的前截面图。小喇叭阵列1206可以充当小喇叭阵列506。在一些实施例中，阵列1206可以如同阵列806包括单一直径的孔，而在其他实施例中，阵列1206可以如同阵列606包括两种不同直径的孔。在小喇叭阵列1206中，喇叭1210具有三角形横截面。喇叭1210可以通过以下来形成:创建穿过圆柱的具有第一直径的第一组平行孔，创建穿过圆柱的与第一组孔相交、成60°的具有第一直径的第二组平行孔，以及创建穿过圆柱的与第一组孔相交并且成120°的具有第一直径的第三组平行孔。孔之间的材料形成喇叭1210。为了制作三角形横截面，所有三组孔在相同点处交叉。在如同阵列606的包括两种不同直径的孔的实施例中，具有第二直径的孔如阵列606(图6)所图示与具有第一直径的孔对准。可以通过钻孔或任意其他孔形成技术来创建孔。阵列1206的平行孔之间的间距可以小于用于创建阵列1006中的具有六边形截面的喇叭的间距。
[0038]图13示出小喇叭阵列1306的实施例的侧视图。小喇叭阵列1306可以充当小喇叭阵列506。小喇叭阵列1306包括背板1308、喇叭1310和前板1312。喇叭1310中的每个喇叭包括颈部1316和底部1314。图14示出喇叭1310的前视图。喇叭1310具有圆形(或椭圆形)横截面。喇叭1310和小喇叭阵列1306的其他部分可以通过三维打印或任意其他适合技术来形成。喇口八810之间的间距(周期)可以例如为近似0.15英寸的常数。小喇叭阵列1306还可以为用于提供预定阵列频率谱和换能器带宽的切趾结构，在该情况下相邻喇叭之间的切线距离、前板厚度和/或喇叭颈部横截面积正比于或反比于距离匹配结构的中心的距离。图15示出小喇叭阵列1306的示出围绕喇叭1310形成的保护环1318的等距视图。保护环1318可以包括允许流体从小喇叭阵列1306的外部流动至围绕喇叭1310的区域的口，以均衡小喇叭阵列1306外部和内部的压力。保护环1318与前板1312之间的间隙可以充当口。图16示出小喇叭阵列1306的示出保护环1318和前板1312的等距视图。
[0039]图17示出包括周向环绕小喇叭阵列506的喇叭的保护环524的换能器222的侧视图。保护环524可以由与具有小喇叭阵列506的匹配末端504的材料相同的材料形成，或者由具有与小喇叭阵列506类似的膨胀系数的材料形成。环524使小喇叭阵列506的喇叭510和内部体积免受不需要的材料侵入阵列506，环524意在提供单频率阵列共振操作并且基于前板512中的预应力效应来提供较高的声学信号强度。
[0040]环524的内直径可以稍小于小喇叭阵列506的外直径。可以通过经由加热使环膨胀、同时经由冷却使小喇叭阵列506收缩来使环524机械地附接至小喇叭阵列506。例如，为了将环524安装到小喇叭阵列506上可以将环524加热至100°摄氏度并且将小喇叭阵列冷却至-50°摄氏度。将经加热的环安装在经冷却的小喇叭阵列506之上，并且当组件达到热平衡时环524牢固地附接至小喇叭阵列506。如上所述附接至小喇叭阵列506的环524在操作温度下提供坚固的环至阵列的机械连接，并且经由通过环524与小喇叭阵列506之间的小间隙形成的口来提供内部压力补偿。
[0041]围绕喇叭510并且在保护环524之内的空间可以填充有高粘度、低压缩性材料，例如蜡、油脂、凝胶、硅阻尼材料或其他高粘度液体。可以在将保护环524附接至小喇叭阵列506之前将低压缩性材料布置在喇叭510之间。例如，低压缩性材料基于高粘度油脂中的可逆的孔隙形状向计量仪100中的工作流体压力变化提供改善的压力补偿一一内部/外部材料的交换明显较少。另外，低压缩性材料提供改善的声阻尼一一此时信号带宽较高并且振铃(ring-dowm)减小。
[0042]以上讨论意在示出本发明的原理和各个实施例。一旦以上公开被充分理解，则对于本领域技术人员，许多变型和修改将变得明显。意图为所附权利要求被解释为包括所有这样的变型和修改。
【主权项】
1.一种超声流量计，包括: 用于要被计量的流体流的流动的中央通路； 多对超声换能器，每对换能器被配置成形成跨越所述换能器之间的所述通路的弦路径，所述换能器中的每个换能器包括: 压电晶体；以及 匹配结构，所述匹配结构包括耦接至所述压电晶体的小喇叭阵列，所述小喇叭阵列包括: 邻近所述压电晶体的背板； 从所述背板并且远离所述压电晶体延伸的多个喇叭，所述喇叭中的每个喇叭包括: 邻近所述背板的底部；以及 从所述底部延伸的颈部，其中，所述底部的横截面积大于所述颈部的横截面积； 邻近所述喇叭中的每个喇叭的所述颈部的前板。2.根据权利要求1所述的超声流量计，其中，所述喇叭中的每个喇叭具有方形、矩形或长菱形横截面。3.根据权利要求1所述的超声流量计，其中，所述喇叭中的每个喇叭具有三角形或六边形横截面。4.根据权利要求1所述的超声流量计，其中，所述喇叭中的每个喇叭具有圆形或椭圆形横截面。5.根据权利要求1所述的超声流量计，其中，所述小喇叭阵列包括至少12个喇叭。6.根据权利要求1所述的超声流量计，其中，所述匹配结构包括围绕所述小喇叭阵列周向布置的环。7.根据权利要求1所述的超声流量计，其中，所述匹配结构包括填充所述喇叭之间的空间的低压缩性材料。8.根据权利要求1所述的超声流量计，其中，对于所述喇叭中的每个喇叭，所述颈部的曲率半径等于或大于所述底部的曲率半径。9.一种用于在超声流量计中使用的超声换能器，所述换能器包括: 圆柱形壳体，所述圆柱形壳体被配置成用于安装在所述超声流量计中； 布置在所述壳体内的压电晶体；以及 耦接至所述壳体的匹配结构，所述匹配结构包括: 小喇叭阵列，所述小喇叭阵列声耦接至所述压电晶体，所述小喇叭阵列包括: 背板，所述背板邻近并且声耦接至所述压电晶体； 从所述背板并且远离所述压电晶体延伸的多个喇叭，所述喇叭中的每个喇叭包括: 邻近所述背板的底部；以及 从所述底部延伸的颈部，其中，所述底部的横截面积大于所述颈部的横截面积； 邻近所述喇叭中的每个喇叭的所述颈部的前板。10.根据权利要求9所述的超声换能器，其中，所述喇叭中的每个喇叭具有方形、矩形或长菱形横截面。11.根据权利要求9所述的超声换能器，其中，所述喇叭中的每个喇叭具有三角形或六边形横截面。12.根据权利要求9所述的超声换能器，其中，所述喇叭中的每个喇叭具有圆形或椭圆形横截面。13.根据权利要求9所述的超声换能器，其中，所述小喇叭阵列包括12至100个喇叭。14.根据权利要求9所述的超声换能器，其中，所述匹配结构包括围绕所述小喇叭阵列周向布置的环。15.根据权利要求9所述的超声换能器，其中，所述匹配结构包括填充所述喇叭之间的空间的低压缩性材料。16.根据权利要求9所述的超声换能器，其中，对于所述喇叭中的每个喇叭，所述颈部的曲率半径等于或大于所述底部的曲率半径。17.—种用于在超声换能器中使用的匹配结构，包括: 小喇叭阵列，所述小喇叭阵列包括: 背板； 从所述背板延伸的多个喇叭，所述喇叭中的每个喇叭包括: 邻近所述背板的底部；以及 从所述底部延伸的颈部，其中，所述底部的横截面积大于所述颈部的横截面积； 邻近所述喇叭中的每个喇叭的所述颈部的前板。18.根据权利要求17所述的匹配结构，其中，所述喇叭中的每个喇叭具有方形、矩形、长菱形、三角形、六边形、圆形或椭圆形横截面。19.根据权利要求17所述的匹配结构，其中，所述小喇叭阵列包括至少12个喇叭。20.根据权利要求17所述的匹配结构，其中，所述匹配结构由单片金属形成。21.根据权利要求17所述的匹配结构，其中，所述匹配结构由单片钛形成。22.根据权利要求17所述的匹配结构，其中，所述匹配结构包括围绕所述小喇叭阵列周向布置的环。23.根据权利要求17所述的匹配结构，其中，所述匹配结构包括填充所述喇叭之间的空间的低压缩性材料。24.根据权利要求17所述的匹配结构，其中，对于所述喇叭中的每个喇叭，所述颈部的曲率半径大于所述底部的曲率半径。25.—种制作用于在超声流量计的超声换能器中使用的匹配结构的方法，包括: 形成背板； 形成前板；以及 在所述背板与所述前板之间形成喇叭的阵列，所述阵列至少有12个喇叭； 其中，所述背板、所述前板以及所述喇叭的阵列形成于整体式本体中。26.根据权利要求25所述的方法，还包括: 形成穿过所述整体式本体的第一组平行通道； 形成穿过所述整体式本体的第二组平行通道，所述第二组平行通道与所述第一组通道横切并且共面； 其中，所述第一组通道和所述第二组通道形成所述背板、所述前板和所述喇叭的阵列。27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述第一组的每个通道与所述第一组的邻近所述每个通道的通道等距；以及所述第二组的每个通道与所述第二组的邻近所述每个通道的通道等距。28.根据权利要求26所述的方法，还包括: 形成穿过所述整体式本体的第三组平行通道，所述第三组的每个通道与所述第一组的通道中的单独一个通道沿所述单独一个通道的整个长度相交； 形成穿过所述整体式本体的第四组平行通道，所述第四组平行通道与所述第三组通道横切并且共面，所述第四组的每个通道与所述第二组的通道中的单独一个通道沿所述单独一个通道的整个长度相交。29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述第三组的每个通道与所述第三组的邻近所述每个通道的通道等距；以及所述第四组的每个通道与所述第四组的邻近所述每个通道的通道等距。30.根据权利要求26所述的方法，其中，所述第一组的通道以直角与所述第二组的通道相交并且所述第一组的通道和所述第二组的通道被分隔开以在所述喇叭阵列的每个喇叭中形成方形横截面。31.根据权利要求26所述的方法，其中，所述第一组的通道以30°至90°的角度与所述第二组的通道相交以在所述喇叭阵列的每个喇叭中形成长菱形横截面。32.根据权利要求26所述的方法，还包括:形成穿过所述整体式本体的第三组平行通道，所述第三组平行通道与所述第一组通道和所述第二组通道横切并且共面，其中，所述第二组的通道与所述第一组的通道成60°角，以及所述第三组的通道与所述第二组的通道成60°角并且与所述第一组的通道成120°角；以及其中，所述第一组、所述第二组和所述第三组的通道被分隔开以在所述喇叭阵列的每个喇叭中形成三角形截面。33.根据权利要求26所述的方法，还包括:形成穿过所述整体式本体的第三组平行通道，所述第三组平行通道与所述第一组通道和所述第二组通道横切并且共面，其中，所述第二组的通道与所述第一组的通道成60°角，以及所述第三组的通道与所述第二组的通道成60°角并且与所述第一组的通道成120°角；以及其中，所述第一组、所述第二组和所述第三组的通道被分隔开以在所述喇叭阵列的每个喇叭中形成六边形截面。34.根据权利要求25所述的方法，还包括通过三维打印来建立所述前板、所述背板和所述喇叭阵列。35.根据权利要求34所述的方法，还包括建立所述喇叭使得所述喇叭具有圆形或椭圆形横截面。
【文档编号】G01F1/66GK106017585SQ201610172958
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】亚历克斯·梅兹赫里茨基
【申请人】丹尼尔测量和控制公司