用于在降水和结露条件下使用的空气声转换器、特别是超声波转换器的制作方法

专利2022-05-09  113



1.本发明涉及一种空气声转换器、特别是超声波转换器,其具有机电转换器、布置在机电转换器的声学活性面上的空气阻抗匹配层和布置在空气阻抗匹配层上的盖,所述盖以外表面形成空气声转换器的暴露的声学面。此外,本发明涉及一种具有所述空气声转换器的装置以及一种具有反射器和至少两个所述空气声转换器的超声波风速计。
2.在空气声转换器中,也称为λ/4调节层的空气阻抗匹配层用于调节不同的在机电转换器的材料与空气或另外的存在于空气声转换器的周围环境中的气体之间的阻抗,所述阻抗定义为密度与声速的乘积。
3.如同已述的那样,根据本发明的空气声转换器特别是超声波转换器。然而原则上根据本发明的空气声转换器也可以在比超声波的频率低的频率下、即也在低于16khz的频率下被使用。
4.空气阻抗匹配层布置在机电转换器的声学活性表面上使得在声学活性表面和空气阻抗匹配层之间布置再一个另外的层不可能。
5.布置在空气阻抗匹配层上的盖典型地用于阻止异物进入到空气阻抗匹配层中,并且相应地典型地是闭合的表面。


背景技术:

6.由de 101 58 144 a1已知了一种超声波转换器,其具有暴露的声学面,所述超声波转换器特别是用于使用在超声波风力测定技术中。超声波转换器包括:机电转换器,所述机电转换器具有声学活性面;和声学调节层,所述声学调节层布置在声学活性面和暴露的声学面之间,以及加热元件,所述加热元件布置在转换器的声学活性面和调节层之间。加热元件用于加热暴露的声学面,以便融化在那里附着的冰层或霜层并且蒸发在那里例如以水滴形式附着的水。
7.存在于暴露的声学面上的水滴可以使辐射波瓣变形并且产生副辐射波瓣。由此极其消极地影响超声波风速计、特别是具有反射器的所述超声波风速计的功能,多个超声波转换器关于所述反射器对置。然而水滴可以从由de 101 58 144 a1已知的超声波转换器的暴露的声学面借助所述超声波转换器的加热元件通过蒸发被仅仅缓慢地去除。此外,当超声波转换器的暴露的声学面被持续地保持在足够高的温度上以蒸发所产生的水滴时,已知的超声波转换器由于随之而来的热负荷而更快地老化。
8.由de 10 2017 209 471 a1已知了一种用于检测内燃机的液体的液位和/或质量的超声波传感器。超声波传感器具有声波转换器和在液体中布置的声波传导元件,所述声波转换器设计用于发射和接收超声波。声波传导元件包括声波传导区段和声波耦合输入区段,所述声波传导区段设计用于对至少部分地由声波转换器发射的超声波在其耦合输入到液体中之前进行传导。声波耦合输入区段设计用于将由声波传导区段传导的超声波这样耦合输入到液体中,以使得超声波至少部分地朝向液体表面的方向被发射。声波传导元件的声波耦合输入区段设有涂层,所述涂层使可能的沉积物难于聚集在声波耦合元件上并且附
着在那里。所述涂层例如包括金属涂层。此外,所述涂层可以根据存在的液体是疏水的、亲水的、疏脂的或亲脂的。
9.由jp 61169099 a已知了一种超声波转换器,所述超声波转换器具有机电转换器和布置在机电转换器的声学活性面上的呈多孔的高分子膜形式的空气阻抗匹配层。机电转换器是疏水的。为了阻止用于将多孔的高分子膜粘接到转换器上的胶粘剂进入到原则上亲水的多孔的高分子膜中并且为了保护高分子膜免受湿气影响而使高分子膜疏水化。


技术实现要素:

10.本发明的任务通过一种具有独立权利要求1的特征的空气声转换器来解决。从属权利要求2至8对应于根据本发明的空气声转换器的优选的实施方式。权利要求9涉及一种具有根据本发明的空气声转换器的装置。从属权利要求10至14对应于该装置的优选的实施方式。权利要求15涉及一种超声波风速计,其具有反射器和根据本发明的至少两个空气声转换器。从属权利要求16和17对应于超声波风速计的优选的实施方式。
11.在一种根据本发明的空气声转换器中,其具有机电转换器、布置在机电转换器的声学活性面上的空气阻抗匹配层和布置在空气阻抗匹配层上的盖,所述盖外表面形成空气声转换器的暴露的声学面,外表面是亲水的。亲水的外表面在此理解为下述外表面,在所述外表面中在以水润湿外表面时的润湿角度小于60
°

12.所述盖的外表面形成空气声转换器的暴露的声学面。所述盖典型地是闭合的。这在此理解为,所述盖不具有或者至少不具有肉眼可见的穿通部,水可以通过所述穿通部。
13.润湿角度表示外表面的亲水性的大小。润湿角度越小,则亲水性越大。润湿角度与润湿液体和外表面之间的界面张力、周围的空气和润湿液体之间的界面张力以及周围的空气和外表面之间的界面张力的关系相关。在此,除了材料特性以外也研究外表面的可能的结构化,所述结构化影响水和外表面之间的界面张力。
14.如果在此不是空气声转换器的周围环境中的空气和空气阻抗匹配层,则这同样能实现将空气声转换器使用在其他气态周围环境中,例如使空气阻抗匹配层和空气阻抗匹配层的盖的外表面的亲水性与在空气声转换器的相应的周围环境中的不同于空气的气体相匹配。
15.通过根据本发明的空气声转换器的外表面的亲水性来阻止在所述外表面上形成水滴。确切地说,降水分散到外表面上,也就是说,降水面状地并且迅速地并且通常也全面地分布到外表面上。对作为根据本发明的空气声转换器的暴露的声学面的外表面的面状的润湿与存在于外表面上的水滴相比不显著地使辐射波瓣变形,空气声由空气声换能在所述辐射波瓣中被射出。当外表面的亲水性是如此大的,以使得润湿角度小于40
°
并且优选地甚至小于20
°
并且最优选地小于10
°
时,则这尤其适用。
16.具体地,根据本发明的空气声转换器的亲水的外表面可以是亲水化的金属表面。金属表面的亲水化可以根据金属表面的组成通过氧化和/或碳化和/或粗糙化实现。金属表面的金属部分例如可以至少主要由锌、铜、不锈钢或钛构成。锌和铜可以为了亲水化而通过碳化、例如借助含二氧化碳的水或者在空气中氧化而被亲水化。不锈钢和钛特别是能够通过粗糙化、例如借助磨削或喷砂和/或通过氧化老化而亲水化。亲水化的金属表面、特别是由不锈钢或钛构成的亲水化的金属表面不仅持久作为外表面,而且该金属表面持久地保持其亲水性。而在已知的亲水化的由塑料构成的涂层的情况中经过几年至若干年不再能达到
外表面的亲水性的高稳定性。
17.在根据本发明的空气声转换器的实际的实现方案中,亲水化的金属表面可以是薄板成型体的外表面,所述薄板成型体的板厚度典型地处于在0.05和0.2mm之间。所述薄板成型体可以原则上直接布置在空气阻抗匹配层上。然而优选地,所述薄板成型体布置在由塑料构成的覆盖层上。所述覆盖层可以在此是围绕空气阻抗匹配层的弹性的保护罩的部分。
18.在具有根据本发明的空气声转换器的根据本发明的装置中,取水臂侧向地延伸至外表面的最低区域前方。表述外表面的最低区域涉及外表面的在空气声转换器或者包括其的装置的运行中处于沿着重力方向最小高度上的区域。分散到外表面上的水由于其重力在这里聚集并且由此与取水臂接触。如果取水臂具有亲水的表面,其中,在以水润湿该表面时的润湿角度还可以小于在以水润湿根据本发明的空气声转换器的外表面时的润湿角度,则取水臂将与其接触的水从外表面导出。由此,当水仅仅分散到外表面上,然而未分散到邻近的疏水区域、例如围绕空气阻抗匹配层的弹性的保护罩时,通过取水臂阻止在外表面上形成更厚的水层。
19.从几何结构上看,取水臂的自由端部可以朝向外表面的面法线的方向在根据本发明的空气声转换器的外表面前方大约0.05mm至1.0mm或0.1至0.5mm处布置。在平行于外表面的主延伸平面的侧向方向上取水臂的自由端部可以在外表面旁0.1mm和最大2mm之间与外表面重叠地或者在0.05mm和0.5mm之间与外表面重叠地终止。取水臂由于其在任何情况下与外表面小的重叠而不干扰从外表面射出的空气声。取水臂同时如此靠近于外表面,以使得外表面上的小的厚度的水层已经与取水臂接触并且由取水臂导出。
20.取水臂的与自由端部对置的、在此称为取水臂的基部的端部可以在根据本发明的装置中在竖直方向上位于在外表面的最低区域下方至少0.5mm、优选地至少1mm、极优选地至少2mm并且更加优选地至少5mm处。所述表述又涉及在根据本发明的超声波转换器的运行中根据本发明的装置的定向。就此充分利用通过取水臂获取的水的重力,以便将所述水朝向取水臂的基部导出。取水臂的所述基部可以布置在导出槽中,所述导出槽的底部远离基部降低,以便继续导出水。具体地,所述导出槽可以构造在成型体中,取水臂位置固定地支承在所述成型体上,并且空气声转换器能够以弹性的密封件相对于所述成型体密封。成型体可以自身具有亲水的表面。为了导出水,导出槽较少地需要或者甚至不是必要的。然而当成型体不具有亲水的并且甚至疏水的表面,则导出槽对于继续导出水是极其有利的。成型体中的导出槽的坡度可以为至少10%或优选地至少20%。然而导出槽必须在此不在其整个长度上具有所述坡度。优选地,导出槽然而至少朝向其背离取水臂的基部的敞开的端部具有坡度。根据本发明的空气声转换器能够以弹性的密封件相对于根据本发明的装置的成型体密封,该弹性的密封件也实现振动脱耦。弹性的密封件可以具体地是围绕根据本发明的空气声转换器的空气阻抗匹配层的弹性的保护罩的部分。
21.在根据本发明的超声波风速计中,其具有反射器和根据本发明的至少两个空气声转换器或根据本发明的一个或两个装置,该装置包括至少两个根据本发明的空气声转换器,至少两个空气声转换器朝向反射面定向,并且所述至少两个空气声换能在声波传播方向上关于反射面观察彼此对置。因此,由所述至少两个根据本发明的空气声转换器中的一个空气声转换器对来自所述至少两个根据本发明的空气声转换器中的另外的空气声转换器的空气声在该空气声在反射面上反射之后进行接收。避免在根据本发明的空气声转换器
的亲水的外表面上形成水滴在此确保,不发生空气声在外表面上散射,从而没有空气声在直接的路径上、即在不在反射面上反射的情况下从所述至少两个根据本发明的空气声转换器中的一个空气声转换器到达另外的空气声转换器。
22.优选地,反射器表面也在根据本发明的超声波风速计是亲水的。具体地,反射器可以由不锈钢构成,并且朝向空气声转换器的反射器表面可以通过将不锈钢粗糙化和/或氧化老化而亲水化。
23.为了通过根据本发明的超声波风速计测量水平风速,反射面可以水平地并且在空气声转换器上方或在下方布置。可理解的是,为了测量在所有水平方向上的风速必须设置至少三个空气声转换器并且优选地四个空气声转换器以两个正交方向上依次相继的对形式布置。
24.本发明的有利的进一步方案由权利要求、说明书和附图得出。特征和多个特征的组合的在说明书中所提及的优点仅仅是示例性的并且可以替换地或累加地起作用,而所述优点不必强制地由根据本发明的实施方式实现。在由此不改变附加的权利要求的主题的情况下,在原始申请文件和专利的公开内容方面适用如下:另外的特征由附图、特别是示出的多个构件的几何结构和相对尺寸以及所述多个构件的相对布置和作用连接获知。本发明的不同的实施方式的特征或者不同的权利要求的特征的组合同样可以不同于权利要求的所选择的引用关系并且由此获得启示。这也涉及下述特征,该特征在单独的附图中示出或者在该附图的说明中被提及。该特征也可以与不同的权利要求的特征组合。同样可以取消在权利要求中列举的用于本发明另外的实施方式的特征。
25.权利要求和说明书所提及的特征在其数量上理解为,恰好存在所述数量或者大于所述数量的数量数量,而不需要明确地使用副词“至少”。也就是说,当例如提及取水臂时,这理解为,存在恰好一个取水臂、两个取水臂或多个取水臂。权利要求中列举的特征可以通过另外的特征补充或是具有相应效果的个别的特征。
26.权利要求中所包含的标记不限制通过权利要求保护的主题的范围。所述标记仅仅用于更容易理解权利要求的目的。
附图说明
27.下面根据附图中所示的优选的实施例进一步阐述和说明本发明。
28.图1示出a)根据本发明的空气声转换器的外部部分的剖割的立体图以及b)从在图1a)中拿出的、根据本发明的空气声转换器的的内部部分的侧视图。
29.图2以侧视图示出具有四个根据本发明的空气声转换器的超声波风速计。
30.图3以立体的侧视图示出根据图2的超声波风速计。
31.图4是图3的放大的细节图;和
32.图5描述在以水润湿外表面时的润湿角度。
具体实施方式
33.在图1中在两个子图a)和b)示出的空气声转换器1具有机电转换器2。如图1b)所示地,空气阻抗匹配层4布置在机电转换器2的声学活性面3上。围绕空气阻抗匹配层4和邻接的机电转换器2布置图1a)中所示的由弹性塑料构成的保护罩5。保护罩5构造有密封凸出部
6并且与底部元件7连接,所述底部元件构造用于未单独示出的至机电转换器2的导线的引导管8,所述机电转换器布置在底部元件7的凹槽中。暴露的声学面10由薄板成型体11构成,所述薄板成型体由小于0.5mm、优选地不大于0.2mm的厚度的薄的金属构成,空气声转换器1通过所述暴露的声学面发射空气声、特别是超声波。薄板成型体例如由钛构成,并且薄板体11的构成暴露的声学面10的外表面12例如通过粗糙化这样亲水化,以使得水在外表面12上的润湿角度优选地小于20
°
并且更加优选地小于10
°
ist。
34.当在图1中空气阻抗匹配层4直接布置在机电转换器2的声学活性面3上,一个另外的例如用于构成加热元件的层可以布置在所述空气阻抗匹配层和声学活性面之间。通过所述加热元件特别是可以阻止外表面12结冰。
35.例如在超声波风速计中然而也在通过超声波测量距离的情况中,为了确定信号传播时间而通过设计为超声波转换器的空气声转换器1产生声学脉冲或波列并且通过一个另外的设计为超声波转换器30的空气声转换器1在接收侧转换回电信号。在此,特别是当声学信号通过反射器13如同随后的附图所示的那样传播,以例如通过超声波转换器使流动的介质的阻断减小到最小程度,所述流动的介质的速度被关注,则允许超声波转换器的辐射特性和接收特性不会由于附着在暴露的声学面10上的水滴而改变。特别是除了期望的主辐射波瓣以外不允许由于水滴引起的副辐射波瓣。否则所述副辐射波瓣可以导致干扰传播时间测量,其方式是,被发射的声学信号在直接的、短的路径上经过所述副辐射波瓣中的一个副辐射波瓣射到接收侧的超声波转换器上。空气声转换器1的暴露的声学面10的几何结构或拓扑结构作为至周围的空气的界面确定超声波转换器的辐射特性。通过由于水滴而使至空气的界面的、平坦表面的拓扑结构改变成具有峰和谷的拓扑结构导致从射出的空气声的与相位相关的波正面出发的、具有带有噪声的参考相位并且由此不确定的辐射波瓣的辐射。通过外表面12的亲水化阻止在暴露的声学面10上形成水滴。确切地说,水被分散开,也就是说分布到整个外表面12上,从而不显著地改变暴露的声学面10的拓扑结构并且不消极地影响空气声的定向的辐射。
36.图2和图3中所示的超声波风速计包括呈根据图1的空气声转换器1形式的总共四个超声波转换器30。所述超声波转换器基本上仅仅以其薄板成型体11突出于例如由塑料或铝构成的成型体14,该薄板成型体具有外表面12并且由此构成暴露的声学面12。在此,超声波转换器振动技术地、即声学地脱耦并且通过保护罩5的密封凸出部6与成型体14相对于成型体14密封。四个空气声转换器1以其辐射波瓣或接收波瓣15朝向反射器13的中心中的反射面16定向。在此,空气声转换器1在声波传播方向上关于反射面16成对地在两个彼此正交的方向上对置。所述方向中的一个方向在反射器13上侧通过方向标识17示出。通过空气声转换器的所述布置能够在两个平行于反射面16延伸的方向上通过检测信号传播时间来测量空气或另外的气体的速度,所述另外的气体在空气声转换器1和反射器13之间通过运动。在此可理解的是,当在此谈及空气声转换器1及其空气阻抗匹配层4,超声波风速计20也可以用于测量另外的气体的速度,液态降水可以由所述另外的气体在暴露的声学面10上产生。
37.在图2和3中已经可以看到并且在图4中得知,取水臂18从成型体14出发侧向地延伸直到相应的外表面12前方。取水臂18的表面19同样是亲水的并且优选地比外表面12更加亲水的,从而当在外表面12出现的水与取水臂18的自由端部接触时,则水将表面19润湿并且由此由外表面12被导出。所述效应由此还要求,取水臂18的自由端部21相邻于外表面12
的最低区域22布置并且取水臂18的基部23位于更低位置,从而重力将水引导至基部23,从那里使水到达成型体14中的导出槽24中。导出槽24在此包括环形通道25和从那里通到成型体14的外周边的、具有显著的坡度的支槽26。即使成型体14的表面不是亲水的,水也通过所述支槽26被导出。
38.图5描述了在以水28润湿外表面12时产生的润湿角度29。润湿角度29表示在润湿的液体水28和外表面12之间的界面张力、周围的空气和水28之间的界面张力以及在周围的空气和外表面12之间的界面张力之间的平衡状态。在此,除了材料特性以外也研究外表面12的影响水28和外表面12之间的界面张力的可能的结构化。
39.附图标记列表
[0040]1ꢀꢀꢀ
空气声转换器
[0041]2ꢀꢀꢀ
机电转换器
[0042]3ꢀꢀꢀ
声学活性面
[0043]4ꢀꢀꢀ
空气阻抗匹配层
[0044]5ꢀꢀꢀ
保护罩
[0045]6ꢀꢀꢀ
密封凸出部
[0046]7ꢀꢀꢀ
底部元件
[0047]8ꢀꢀꢀ
引导管
[0048]9ꢀꢀꢀ
导线
[0049]
10
ꢀꢀ
暴露的声学面
[0050]
11
ꢀꢀ
薄板成型体
[0051]
12
ꢀꢀ
外表面
[0052]
13
ꢀꢀ
反射器
[0053]
14
ꢀꢀ
成型体
[0054]
15
ꢀꢀ
辐射波瓣
[0055]
16
ꢀꢀ
反射面
[0056]
17
ꢀꢀ
方向标识
[0057]
18
ꢀꢀ
取水臂
[0058]
19
ꢀꢀ
表面
[0059]
20
ꢀꢀ
超声波风速计
[0060]
21
ꢀꢀ
自由端部
[0061]
22
ꢀꢀ
最低区域
[0062]
23
ꢀꢀ
基部
[0063]
24
ꢀꢀ
导出槽
[0064]
25
ꢀꢀ
环形通道
[0065]
26
ꢀꢀ
支槽
[0066]
27
ꢀꢀ

[0067]
28
ꢀꢀ

[0068]
29
ꢀꢀ
润湿角度
[0069]
30
ꢀꢀ
超声波转换器。

技术特征:
1.一种空气声转换器(1),其具有:

机电转换器(2),

布置在所述机电转换器的声学活性面(3)上的空气阻抗匹配层(4),和

布置在所述空气阻抗匹配层(4)上的盖(27),所述盖以外表面(12)形成所述空气声转换器(1)的暴露的声学面(10),其特征在于,所述外表面(12)是亲水的,其中,在以水(28)润湿所述外表面(12)时的润湿角度(29)小于60
°
。2.根据权利要求1所述的空气声转换器(1),其特征在于,所述润湿角度小于40
°
或者小于20
°
或者小于10
°
。3.根据前述权利要求中任一项所述的空气声转换器(1),其特征在于,所述外表面(12)是亲水化的金属表面。4.根据权利要求3所述的空气声转换器(1),其特征在于,所述金属表面通过氧化和/或碳化和/或粗糙化而亲水化。5.根据权利要求3或4所述的空气声转换器(1),其特征在于,所述金属表面的金属部分至少主要由锌、铜、不锈钢或钛构成。6.根据权利要求3至5中任一项所述的空气声转换器(1),其特征在于,所述金属表面是薄板成型体(11)的外表面(12)。7.根据权利要求6所述的空气声转换器(1),其特征在于,所述薄板成型体(11)布置在由塑料构成的覆盖层上。8.根据权利要求7所述的空气声转换器(1),其特征在于,所述覆盖层是围绕所述空气阻抗匹配层(4)的弹性的保护罩(5)的部分。9.一种装置,其具有:

根据前述权利要求中任一项所述的空气声转换器(1),和

取水臂(18),所述取水臂侧向地延伸至所述外表面(12)的最低区域(22)前方。10.根据权利要求9所述的装置,其特征在于,所述取水臂(18)具有亲水的表面(19),其中,在以水(28)润湿该表面时的润湿角度(29)小于60
°
或者小于40
°
或者小于20
°
或者小于10
°
。11.根据权利要求9或10所述的装置,其特征在于,所述取水臂(18)以其自由端部(21)

朝向所述外表面的面法线的方向在所述外表面(12)前方0.05至1.0mm或0.1至0.5mm处终止,和/或

平行于所述外表面的主延伸平面侧向地在所述外表面旁0.1mm和最大2mm之间与所述外表面重叠地或者侧向地在0.05mm和0.5mm之间与所述外表面(12)重叠地终止。12.根据权利要求9至11中任一项所述的装置,其特征在于,所述取水臂(18)的基部(23)在竖直方向上在最低区域(22)下方至少0.5mm或1mm或2mm或5mm处布置。13.根据权利要求9至12中任一项所述的装置,其特征在于,所述取水臂(18)的一个或这个基部(23)布置在导出槽(24)中,所述导出槽的底部远离所述基部(23)降低。14.根据权利要求13所述的装置,其特征在于,所述导出槽(24)构造在成型体(14)中,所述取水臂(18)位置固定地支承在所述成型体上,并且所述空气声转换器(1)以弹性的密封件相对于所述成型体密封。
15.一种超声波风速计(20),其具有:

反射器(13),和

根据权利要求1至8中任一项所述的至少两个空气声转换器(1)或者根据权利要求9至14中任一项所述的一个或两个装置,该装置包括根据权利要求1至8中任一项所述的至少两个空气声转换器(1),其中,所述至少两个空气声转换器(1)朝向反射面(16)定向并且在声波传播方向上关于所述反射面(16)观察彼此对置。16.根据权利要求15所述的超声波风速计(20),其特征在于,所述反射面(16)是亲水的,其中,在以水(28)润湿该表面时的润湿角度(29)小于60
°
或者小于40
°
或者小于20
°
或者小于10
°
。17.根据权利要求15或16所述的超声波风速计(20),其特征在于,所述反射面(16)水平地并且在所述空气声转换器(1)上方或下方布置。
技术总结
在一种空气声转换器(1)中,其具有机电转换器(2)、布置在机电转换器(2)的声学活性面(3)上的空气阻抗匹配层(4)和布置在空气阻抗匹配层(4)上的盖(27),所述盖以外表面(12)形成空气声转换器(1)的暴露的声学面(10),外表面(12)是亲水的,其中,在以水(18)润湿外表面时的润湿角度(29)小于60


技术研发人员:H
受保护的技术使用者:阿道夫第斯两合公司
技术研发日:2019.10.28
技术公布日:2021/6/29

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