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超声波声频定向传输系统
申请号	CN201610575554.3	申请日	2016-07-21	公开(公告)号	CN106166540A	公开(公告)日	2016-11-30
申请人	绵阳昊天信息技术有限公司;			发明人	杨旭; 陈刚; 段少钢;
摘要	本发明公开了一种超声波声频定向传输系统，包括信号处理单元、功率放大单元以及超声波换能器，超声波换能器包括具有谐振腔的下基座、环形上盖、PVDF膜、环形橡胶圈、环形施压件以及连接件；PVDF膜设置在下基座的上表面且覆盖谐振腔的开口，环形橡胶圈和环形施压件设置在PVDF膜上表面和环形上盖下表面之间且环形橡胶圈的内径大于环形施压件的外径，环形施压件的内径大于谐振腔的半径，下基座的上表面设置有环形凹槽，环形凹槽位于环形施压件正下方，连接件用于连接下基座和环形上盖且可调整下基座和环形上盖之间的距离。本发明提供的超声波声频定向传输系统，因超声波换能器的谐振频率可调，超声波声频定向传输系统可适用于不同频率的声频处理。
权利要求	1.一种超声波声频定向传输系统，包括信号处理单元（11）、功率放大单元（12）以及超声波换能器（13），其特征在于，所述超声波换能器（13）包括具有谐振腔（21）的下基座（22）、环形上盖（23）、PVDF膜（24）、环形橡胶圈（25）、环形施压件（26）以及连接件；所述PVDF膜（24）设置在所述下基座（22）的上表面且覆盖所述谐振腔（21）的开口，所述环形橡胶圈（25）和所述环形施压件（26）设置在所述PVDF膜（24）上表面和所述环形上盖（23）下表面之间且所述环形橡胶圈（25）的内径大于所述环形施压件（26）的外径，所述环形施压件（26）的内径大于所述谐振腔（21）的半径，所述下基座（22）的上表面设置有环形凹槽（27），所述环形凹槽（27）位于所述环形施压件（26）正下方，所述连接件用于连接所述下基座（22）和所述环形上盖（23）且可调整所述下基座（22）和所述环形上盖（23）之间的距离。 2.根据权利要求1所述的超声波声频定向传输系统，其特征在于，所述连接件包括两个关于所述谐振腔（21）中轴线对称的螺栓组件，所述螺栓组件包括螺栓（28）和第一螺母（29），所述螺栓（28）从上至下依次穿过所述环形上盖（23）和所述下基座（22），所述第一螺母（29）与所述螺栓（28）螺纹连接。 3.根据权利要求2所述的超声波声频定向传输系统，其特征在于，所述螺栓组件还包括设置在所述第一螺母（29）和所述下基座（22）下表面之间的垫片（30）。 4.根据权利要求1所述的超声波声频定向传输系统，其特征在于，所述连接件包括第一连接杆（31）、第二连接杆（32）、凹形施压件（33）、螺杆（34）以及第二螺母（35），所述凹形施压件（33）包括中心具有通孔的连接板和分别设置在所述连接板两端的第一空心柱体和第二空心柱体；所述第一连接杆（31）的一端从下至上依次穿过所述第一空心柱体和所述下基座（22）并与所述环形上盖（23）下表面固定连接，所述第二连接杆（32）的一端从下至上依次穿过所述第二空心柱体和所述下基座（22）并与所述环形上盖（23）下表面固定连接，所述第一连接杆（31）和所述第二连接杆（32）关于所述谐振腔（21）中轴线对称，所述螺杆（34）的一端穿过所述通孔并与所述下基座（22）下表面固定连接，所述第二螺母（35）与所述螺杆（34）的另一端螺纹连接，所述螺杆（34）中轴线与所述谐振腔（21）中轴线重合。 5.根据权利要求1至4任一项所述的超声波声频定向传输系统，其特征在于，所述谐振腔（21）中轴线、所述环形橡胶圈（25）中轴线以及所述环形施压件（26）中轴线重合。 6.根据权利要求1至4任一项所述的超声波声频定向传输系统，其特征在于，所述环形施压件（26）为环形橡胶圈。 7.根据权利要求1至4任一项所述的超声波声频定向传输系统，其特征在于，所述环形施压件（26）为环形金属圈。 8.根据权利要求1至4任一项所述的超声波声频定向传输系统，其特征在于，所述环形凹槽（27）的截面为半圆形。
说明书全文	超声波声频定向传输系统技术领域 [0001] 本发明涉及音频处理技术领域，具体涉及一种超声波声频定向传输系统。背景技术 [0002] 当两列具有不同频率（频率分别为f1和f2）的有限振幅声波沿同一方向传输时，两基波的非线性交互作用可以产生两个不同的分量，即两频率之差（f1-f2）和两频率之和（f1+f2），产生谐波。如果原超声波频率选择合适，使差频声波在可听声域，即可产生可听声，就如同用超声波在空气中建立了虚拟声源。超声波因在空气中耗散衰减快而传播距离近，可听声则可以传播较远的距离。由于超声波传播的高指向性，使得由此产生的可听声波也具有较高的指向性。 [0003] 图1是常见的超声波声频定向传输系统的结构示意图，所述超声波声频定向传输系统包括信号处理单元11、功率放大单元12以及超声波换能器13。具体地，所述信号处理单元11用于根据信号调制算法完成对音频信号的调制，早期研究中主要是直接对音频模拟信号进行调幅调制，随着数字信号处理技术的发展，通过灵活的调制算法就可以不断优化调制过程，DSP已经代替早期的调制方法而成为目前声频定向研究中首选的信号处理方法；所述功率放大单元12用于对调制后的超声频信号进行功率放大以及与所述超声波换能器13之间的电气匹配，由于超声波调制后的信号有较宽的带宽，所述功率放大单元12需要满足在较宽频带范围内都有良好的频率响应和线性放大能力；所述超声波换能器13用于将调制有音频信号的超声波信号转换为超声波并有效地辐射到空气中。 [0004] 通常，所述超声波换能器13的谐振频率不可调，这就带来了以下问题：实际制作出的换能器的谐振频率与理论设计难以精确吻合，不能获得精确的谐振频率；在长期使用过程中换能器由于受到机械振动、材料老化等因素影响，谐振频率将会发生改变，谐振频率不可调的结构设计会因此失效而导致超声波声频定向传输系统不可用；固定谐振频率设计的换能器只能工作在单一工作频率下，工作频率不同时需重新设计新的超声波换能器。发明内容 [0005] 本发明所要解决的是现有的超声波声频定向传输系统中超声波换能器谐振频率不可调的问题。 [0006] 本发明通过下述技术方案实现：一种超声波声频定向传输系统，包括信号处理单元、功率放大单元以及超声波换能器，所述超声波换能器包括具有谐振腔的下基座、环形上盖、PVDF膜、环形橡胶圈、环形施压件以及连接件；所述PVDF膜设置在所述下基座的上表面且覆盖所述谐振腔的开口，所述环形橡胶圈和所述环形施压件设置在所述PVDF膜上表面和所述环形上盖下表面之间且所述环形橡胶圈的内径大于所述环形施压件的外径，所述环形施压件的内径大于所述谐振腔的半径，所述下基座的上表面设置有环形凹槽，所述环形凹槽位于所述环形施压件正下方，所述连接件用于连接所述下基座和所述环形上盖且可调整所述下基座和所述环形上盖之间的距离。 [0007] 本发明提供的超声波声频定向传输系统，其包括的超声波换能器的谐振频率可调节。具体地，由于环形橡胶圈的尺寸大于环形施压件的尺寸，当采用连接件减小下基座和环形上盖之间的距离时，环形橡胶圈首先将PVDF膜紧紧固定在下基座上，此时环形橡胶圈尚未对PVDF膜产生力的作用，即PVDF膜未变形，其张力约等于零；当继续减小下基座和环形上盖之间的距离时，环形橡胶圈继续变形，环形施压件也开始受力变形，此时PVDF膜也由于受到环形施压件的作用而开始变形，其张力随着变形增大而增大。由于在下基座上表面开了一个位于环形施压件正下方的环形凹槽，当PVDF膜处于弹性变形区时，通过调节下基座和环形上盖之间的距离大小就可以调整PVDF膜张力大小。因超声波换能器的谐振频率与PVDF膜张力相关，因而通过动态改变PVDF膜张力可以调节超声波换能器的谐振频率，从而提高实际制作出的超声波换能器的谐振频率精确度，减缓超声波换能器因受到机械振动、材料老化等因素影响导致超声波声频定向传输系统不可用，使超声波换能器不只能工作在单一工作频率下。 [0008] 可选的，所述连接件包括两个关于所述谐振腔中轴线对称的螺栓组件，所述螺栓组件包括螺栓和第一螺母，所述螺栓从上至下依次穿过所述环形上盖和所述下基座，所述第一螺母与所述螺栓螺纹连接。通过同时拧紧两个螺栓组件中的第一螺母，可以使下基座向上运动，从而调节环形上盖和下基座之间的距离。 [0009] 可选的，所述螺栓组件还包括设置在所述第一螺母和所述下基座下表面之间的垫片。通过在第一螺母和下基座下表面之间设置垫片，可以防止拧紧第一螺母时对下基座下表面造成损伤。 [0010] 可选的，所述连接件包括第一连接杆、第二连接杆、凹形施压件、螺杆以及第二螺母，所述凹形施压件包括中心具有通孔的连接板和分别设置在所述连接板两端的第一空心柱体和第二空心柱体；所述第一连接杆的一端从下至上依次穿过所述第一空心柱体和所述下基座并与所述环形上盖下表面固定连接，所述第二连接杆的一端从下至上依次穿过所述第二空心柱体和所述下基座并与所述环形上盖下表面固定连接，所述第一连接杆和所述第二连接杆关于所述谐振腔中轴线对称，所述螺杆的一端穿过所述通孔并与所述下基座下表面固定连接，所述第二螺母与所述螺杆的另一端螺纹连接，所述螺杆中轴线与所述谐振腔中轴线重合。通过拧紧第二螺母，可以使凹形施压件向上运动，对下基座产生向上的推力，使下基座向上运动，从而调节环形上盖和下基座之间的距离。并且，螺杆中轴线与谐振腔中轴线重合，拧紧第二螺母时，凹形施压件对下基座产生的向上推力是平衡对称的，因而PVDF膜张力在各个方向平衡，使谐振频率更为精确。 [0011] 可选的，所述谐振腔中轴线、所述环形橡胶圈中轴线以及所述环形施压件中轴线重合。 [0012] 可选的，所述环形施压件为环形橡胶圈。 [0013] 可选的，所述环形施压件为环形金属圈。对于小尺寸的超声波换能器，其对下基座和环形上盖之间的距离调节更为敏感。由于橡胶圈形变较大，采用环形金属圈可以进一步提高对PVDF膜施加张力的可靠性，使超声波换能器的谐振频率更为精确。 [0014] 可选的，所述环形凹槽的截面为半圆形。 [0015] 本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本发明提供的超声波声频定向传输系统，通过动态改变PVDF膜张力可以调节超声波换能器的谐振频率，从而提高实际制作出的超声波换能器的谐振频率精确度，减缓超声波换能器因受到机械振动、材料老化等因素影响导致超声波声频定向传输系统不可用，使超声波声频定向传输系统适用于不同频率的声频处理。附图说明 [0016] 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：图1是常见的超声波声频定向传输系统的结构示意图；图2是本发明一种实施例的超声波换能器的结构示意图；图3是本发明另一种实施例的超声波换能器的结构示意图。 [0017] 附图中标记及对应的零部件名称：11-信号处理单元，12-功率放大单元，13-超声波换能器，21-谐振腔，22-下基座，23-环形上盖，24- PVDF膜，25-环形橡胶圈，26-环形施压件，27-环形凹槽，28-螺栓，29-第一螺母，30-垫片，31-第一连接杆，32-第二连接杆，33-凹形施压件，34-螺杆，35-第二螺母。具体实施方式 [0018] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。 [0019] 实施例1本发明实施例提供一种超声波声频定向传输系统，所述超声波声频定向传输系统包括信号处理单元、功率放大单元以及超声波换能器。其中，所述信号处理单元和所述功率放大单元可以采用现有的结构设计。图2是本实施例的超声波换能器的结构示意图，所述超声波换能器包括具有谐振腔21的下基座22、环形上盖23、PVDF膜24、环形橡胶圈25、环形施压件 26以及连接件。 [0020] 具体地，所述谐振腔21为圆柱形。所述PVDF膜24设置在所述下基座22的上表面且覆盖所述谐振腔21的开口。在本实施例中，所述PVDF膜24为圆形，其中轴线可以与所述谐振腔21中轴线重合。所述环形橡胶圈25和所述环形施压件26设置在所述PVDF膜24上表面和所述环形上盖23下表面之间，且所述环形橡胶圈25的内径大于所述环形施压件26的外径，所述环形施压件26的内径大于所述谐振腔21的半径，所述谐振腔21中轴线、所述环形橡胶圈25中轴线以及所述环形施压件26中轴线重合。所述下基座22的上表面设置有环形凹槽27，所述环形凹槽27位于所述环形施压件26正下方，所述环形凹槽27的截面为半圆形。所述环形施压件26可以为环形橡胶圈，也可以为环形金属圈，本实施例对此不作限定。所述连接件用于连接所述下基座22和所述环形上盖23，且可调整所述下基座22和所述环形上盖23之间的距离。 [0021] 在本实施例中，所述连接件包括两个关于所述谐振腔21中轴线对称的螺栓组件，所述螺栓组件包括螺栓28和第一螺母29，所述螺栓28从上至下依次穿过所述环形上盖23和所述下基座22，所述第一螺母29与所述螺栓28螺纹连接。进一步，所述螺栓组件还可以包括设置在所述第一螺母29和所述下基座22下表面之间的垫片30，以在拧紧所述第一螺母29时保护所述下基座22下表面。 [0022] 调整所述下基座22和所述环形上盖23之间的距离时，同时拧紧或者拧松所述第一螺母29，相应地所述下基座22会向上或者向下运动。由于所述环形橡胶圈25的尺寸大于所述环形施压件26的尺寸，当拧紧所述第一螺母29时，所述环形橡胶圈25首先将所述PVDF膜24紧紧固定在所述下基座22上，此时所述环形橡胶圈25尚未对所述PVDF膜24产生力的作用，即所述PVDF膜24未变形，其张力约等于零；当继续拧紧所述第一螺母29时，所述环形橡胶圈25继续变形，所述环形施压件26也开始受力变形，此时所述PVDF膜24也由于受到所述环形施压件26的作用而开始变形，其张力随着变形增大而增大。由于在所述环形施压件26正下方有所述环形凹槽27，当所述PVDF膜24处于弹性变形区时，通过调节所述下基座22和所述环形上盖23之间的距离大小就可以调整所述PVDF膜24张力大小。因超声波换能器的谐振频率与所述PVDF膜24张力相关，因而通过动态改变所述PVDF膜24张力可以调节超声波换能器的谐振频率。 [0023] 在调节所述超声波换能器的谐振频率时，需要同时调节两个螺栓组件中的第一螺母29，即对所述下基座22施加两个力。由于是手动调节，不能精确地控制两个第一螺母的调节程度一致，因而会导致所述PVDF膜24张力不平衡，影响超声波换能器的谐振频率精度。基于此，本发明提供另一种超声波声频定向传输系统。 [0024] 实施例2本发明实施例提供另一种超声波声频定向传输系统，所述超声波声频定向传输系统包括信号处理单元、功率放大单元以及超声波换能器。图3是本实施例的超声波换能器的结构示意图，与实施例1相比，区别在于：连接件包括第一连接杆31、第二连接杆32、凹形施压件 33、螺杆34以及第二螺母35，所述凹形施压件33包括中心具有通孔的连接板和分别设置在所述连接板两端的第一空心柱体和第二空心柱体。 [0025] 具体地，所述第一连接杆31的一端从下至上依次穿过所述第一空心柱体和所述下基座22并与所述环形上盖23下表面固定连接，所述第二连接杆32的一端从下至上依次穿过所述第二空心柱体和所述下基座22并与所述环形上盖23下表面固定连接，所述第一连接杆31和所述第二连接杆32关于所述谐振腔21中轴线对称，所述螺杆34的一端穿过所述通孔并与所述下基座22下表面固定连接，所述第二螺母35与所述螺杆34的另一端螺纹连接，所述螺杆34中轴线与所述谐振腔21中轴线重合。 [0026] 由于所述螺杆34中轴线与所述谐振腔21中轴线重合，拧紧所述第二螺母35时，所述凹形施压件33对所述下基座22产生的向上推力是平衡对称的，因而所述PVDF膜24张力在各个方向平衡，使谐振频率更为精确。 [0027] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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