一种高温超声换能器

本技术涉及高温流体测速领域，尤其是一种高温超声换能器。

背景技术：

1、超声多普勒测速法作为研发液态锂铅包层的重要测量手段，以非接触的方式对高温液态锂铅流体进行测速工作。实现超声多普勒测速法所需使用的高温超声换能器工作在极端环境下，因此，对应的高温超声换能器必须具备耐高温、耐腐蚀的特性。高温超声换能器的最大工作温度受限于压电模块内压电元件的居里温度，为使其在高温环境下也能正常工作，现有技术的主要思路是采用外接波导杆的方式，使压电模块内温度低于压电元件的居里温度。

2、高温超声换能器一般包括产生和接收超声波信号的压电模块，以及对压电模块进行隔热保护的波导杆模块。液态式波导杆能同包含多个压电元件的超声阵列换能器匹配，有效减弱大量周壁反射、散射噪声造成的超声混叠。但是现有液态导杆由于其超声传输特性导致其前壁通常较薄，长时间的高温测量会使其结构变得脆弱，易发生变形、破碎等问题，受损后的液态波导杆会对发射与接收的超声波信号产生严重干扰。

技术实现思路

1、第一方面，针对现有技术的不足与实际应用的需求，本实用新型提供了一种高温超声换能器，所述高温超声换能器包括：加固模块、液态波导模块和压电模块；所述加固模块设置于所述液态波导模块的一端，所述加固模块与高温流体接触；所述液态波导模块背离所述加固模块的一端与所述压电模块固定连接。本实用新型通过加固模块作为接触高温流体的探测前端，弥补了液态波导模块前壁结构薄弱，在持续高温环境下易于变形、破碎的缺点；同时，液态波导模块可与多个压电元件进行匹配，有效减弱大量周壁反射、散射噪声造成的超声混叠，进而提升高温超声换能器的整体性能。本实用新型的结构简单，性能稳定，能够很好地满足实际高温流体测速所需的高温超声换能器性能需求。

2、可选地，所述液态波导模块包括周向外壳以及密封所述周向外壳的前壁和后壁；所述周向外壳与所述前壁、所述后壁围合形成腔体；所述腔体的内部注入用于传输超声波的液体介质。

3、进一步可选地，所述前壁的材质包括钛、钛合金或者不锈钢。本实用新型通过选择机械结构性能稳定的材质，强化了液态波导模块与高温流体接触前端的机械结构性能，降低了前壁在高温环境下的变形、破碎风险。

4、进一步可选地，所述周向外壳的内壁面覆盖吸声层。本实用新型通过在周向外壳的内表面设置吸声层吸收液态介质中的反射噪声和散射噪声，提升高温超声换能器的信噪比。

5、进一步可选地，所述高温超声换能器还包括：液冷腔和冷却液；所述液冷腔套设在所述周向外壳上，所述液冷腔上设置有冷却液入口和冷却液出口；所述冷却液通过所述冷却液入口进入所述液冷腔，所述冷却液通过所述冷却液出口流出所述液冷腔。本实用新型通过液冷方式辅助液态波导模块进行散热，极大程度地提升了液态波导模块的散热效率。较之现有技术，在散去相同热量的前提下，本实用新型所提供的液态波导模块所需要的长度更短，超声波在液态波导模块中传输时的衰减也会更小，更有利于获得超声波反射信号，即提高了超声波反射信号的信噪比，并且较大程度地减少对流体速度场测量深度的影响。

6、可选地，所述加固模块包括多根金属细棒集成的捆绑式波导杆。通过多根金属细棒集成的捆绑式波导杆易获取，同时捆绑式波导杆机械结构性能稳定，内部基本不存在超声散射损失，捆绑式波导杆作为本实用新型的整体波导结构的前端与高温流体接触，能够很好的接收和发射超声波信号。

7、进一步可选地，所述金属细棒的直径为小于或者等于超声波的波长。当金属细棒的直径为小于或者等于超声的波波长时，超声波在捆绑式波导杆内具有最佳的传输效率。

8、进一步可选地，所述捆绑式波导杆与所述液态介质的接触面光滑。光滑的接触面有利用保证捆绑式波导杆在液态介质中的浸润性，以提高超声波在捆绑式波导杆与液态波导模块之间的传输效率。

9、进一步可选地，所述加固模块设置于所述腔体内部背离所述压电模块的一端，所述加固模块与所述前壁的内壁面固定连接。本实用新型将加固模块设置在液态波导模块与高温流体的前端，进一步地将其设置在具有吸声层的腔体内部前端，不仅液态波导模块与高温流体接触前端的机械结构性能，还能够有效地吸收周壁产生的散射信号。

10、可选地，所述压电模块包括多个压电元件，各个所述压电元件分别与所述液态波导模块匹配。本实用新型中液态波导模块与多个均能单独控制的压电元件匹配后，进一步减弱大量周壁反射噪声以及散射噪声造成的超声混叠，又能提高反射的超声波的信噪比，避免波导杆内的各压电元件间的超声串扰。同时，本实用新型的多个压电元件，相比于单个压电元件的高温超声换能器，在实际应用上，可灵活地个性化选择各个压电元件的工作状态，也可进行更为广泛的流场测量。

技术特征：

1.一种高温超声换能器，其特征在于，所述高温超声换能器包括：

2.根据权利要求1所述的高温超声换能器，其特征在于，所述液态波导模块包括周向外壳以及密封所述周向外壳的前壁和后壁；

3.根据权利要求2所述的高温超声换能器，其特征在于，所述前壁的材质包括钛、钛合金或者不锈钢。

4.根据权利要求2所述的高温超声换能器，其特征在于，所述周向外壳的内壁面覆盖吸声层。

5.根据权利要求2-4任一所述的高温超声换能器，其特征在于，所述高温超声换能器还包括：液冷腔和冷却液；

6.根据权利要求2所述的高温超声换能器，其特征在于，所述加固模块包括多根金属细棒集成的捆绑式波导杆。

7.根据权利要求6所述的高温超声换能器，其特征在于，所述金属细棒的直径为小于或者等于超声波的波长。

8.根据权利要求6所述的高温超声换能器，其特征在于，所述捆绑式波导杆与液态介质的接触面光滑。

9.根据权利要求6-8任一所述的高温超声换能器，其特征在于，所述加固模块设置于所述腔体内部背离所述压电模块的一端，所述加固模块与所述前壁的内壁面固定连接。

10.根据权利要求1所述的高温超声换能器，其特征在于，所述压电模块包括多个压电元件，各个压电元件分别与所述液态波导模块匹配。

技术总结
本技术涉及高温流体测速领域，尤其是一种高温超声换能器。本技术所提供高温超声换能器包括：加固模块、液态波导模块和压电模块；其中，加固模块设置于所述液态波导模块的一端，所述加固模块与高温流体接触；液态波导模块背离加固模块的一端与压电模块固定连接。本技术通过加固模块作为接触高温流体的探测前端，弥补了液态波导模块前壁结构薄弱，在持续高温环境下易于变形、破碎的缺点；同时，液态波导模块可与多个压电元件进行匹配，有效减弱大量周壁反射、散射噪声造成的超声混叠，进而提升高温超声换能器的整体性能。本技术的结构简单，性能稳定，能够很好地满足实际高温流体测速所需的高温超声换能器性能需求。

技术研发人员：倪明玖,潘定羿,阳倦成,黄逸飞,吕泽
受保护的技术使用者：中国科学院大学
技术研发日：20230202
技术公布日：2024/1/12