超聲波流量計探頭及換能器原理  一六一

因此,下面著重討論聲透鏡的設計與制作.

a)聲透鏡材料的選擇

為了滿足折射條件的要求,使超聲波通過聲透鏡后能夠會聚,首先就要考慮聲透鏡材料中的聲速,即其縱波聲速應大于傳聲介質(如水)的縱波聲速(因為這是凹透鏡),并且在聲透鏡與傳聲介質的界面上有較大的折射率,此外,還要顧及有良好的透聲率,也就是說,聲透鏡材料的聲阻抗應盡量與晶片,傳聲介質的聲阻抗相匹配,聲透鏡材料中的聲能損耗要小(聲衰減系數要小),聲透鏡材料應容易加工且不易變形.

目前常用的聲透鏡材料為有機玻璃,環(huán)氧樹脂,丙烯酸樹脂等,前者一般采用機械加工的方法制作,多用于頻率較低且聲強度不大的情況,后兩者一般采用液體狀態(tài)下澆注并壓模,再經固化成型,然后再做精加工制成.除此以外,還有采用石英玻璃,硬化塑膠,聚氯乙烯等材料,在特殊情況下還有采用金屬材料,如鋼,鋁,鎂合金,黃銅等制成的金屬聚焦聲透鏡,這主要應用于高頻和高聲強的情況.由于聲透鏡材料中存在有聲損耗,故很大功率的超聲聚焦換能器(如用于功率超聲波領域)一般不采用聲透鏡形式的聚焦方法.

b)聲透鏡形狀的設計

凹圓柱面的聲透鏡用于實現線聚焦,而凹球面的聲透鏡則用于實現點聚焦.聲透

鏡形狀設計的關鍵是它的曲率半徑及頂部厚度.

平面晶片發(fā)射的超聲波束在近場長度內稍有收斂直至近場末端N點時有聲壓最大值,所以可以把N點稱為自然焦點,而把近場長度稱為自然焦距.顯然,經聲透鏡聚焦后聲束的焦距(焦點到聲透鏡輻射面的距離)必然小于該平面晶片在相同傳聲介質中的近場長度.

超聲波流量計