对角共振式声音及超声换能器
阅读：276发布：2020-05-08
专利汇可以提供对角共振式声音及超声换能器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了用于声音和超声产生和接收的对 角 共振(DR)模式。由于压电单晶中的 各向异性 声速，使得这种新型的驱动模式成为可能。这引起了活性材料的交叉板，其包含基本上呈矩形形状的活性材料的交叉对角线，并表现出相当的谐振 频率 。由于铅基弛豫体单晶的相当大的泊松比，活性材料在交叉的面或体对角线方向上的谐振振动引起足够大的振动振幅，以便经由任何垂直于谐振对角线方向的或与谐振对角线方向成一定角度的自由表面产生声音和超声。所述DR模式通常具有低于传统的纵向和横向宽度模式的谐振频率，但具有高TVR，并且可以与所述两种驱动模式组合或耦合，以制成宽频带至超宽频带的 声波 和 超声波 换能器 。，下面是对角共振式声音及超声换能器专利的具体信息内容。
1.一种换能器，包含矩形或基本呈矩形的有源元件，所述有源元件在两个相对面上被电极化并且在整个电极面上被极化，
其中所述有源元件被设定成半波长或四分之一波长谐振模式，使得所述谐振方向沿着所述有源元件的外表面的交叉面对角线方向或大体上沿所述有源元件的外表面的交叉面对角线方向，及
其中，在与所述谐振方向正交或成锐角的方向上产生声束。
2.一种换能器，包括矩形或基本呈矩形的纵向模式有源元件，所述纵向模式有源元件在两个相对面上被电极化并且在整个电极面上被极化，
其中所述有源元件被设定成半波长谐振模式，使得谐振方向沿所述有源元件的电极面的交叉面对角线方向或大体上沿所述有源元件的电极面的交叉面对角线方向，及其中，沿着与所述谐振方向正交的纵向极化方向产生声束。
3.一种换能器，包含矩形或基本呈矩形的有源元件，所述有源元件在两个相对面上被电极化并且在整个电极面上被极化，
其中所述有源元件被设定成半波长或四分之一波长谐振模式，使得所述谐振方向沿着所述有源元件的交叉体对角线方向或大体上沿所述有源元件的交叉体对角线方向，以及其中在与所述谐振方向正交或成锐角的方向上产生声束。
4.根据权利要求1、2或3所述的换能器，其中，所述有源元件包括以并联、串联、部分并联或部分串联的电气配置中的一种而连接的多个活性材料。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的换能器，其中，所述有源元件的角是倒角、圆角或成形为具有曲率，以促进对角谐振(DR)模式。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的换能器，其中，所述有源元件包括压电单晶的组合物和切片，所述压电单晶在至少一个所述横向方向上具有d31(或d32)400pC/N和k31(或k32)
0.60的横向压电特性，
其中d31和d32是相关的横向压电应变系数，k31和k32是相关的机电耦合因子。
7.根据权利要求6的换能器，其中，所述有源元件包括Pb(Zn1/3Nb2/3)O3,Pb(Mg1/3Nb2/3)O3,Pb(In1/2Nb1/2)O3,Pb(Sc1/2Nb1/2)O3,Pb(Fe1/2Nb1/2)O3,Pb(Yb1/2Nb1/2)O3,Pb(Lu1/2Nb1/2)O3,Pb(Mn1/2Nb1/2)O3,PbZrO3和PbTiO3及其改性和/或掺杂衍生物中的一种或多种的二元、三元和更高元固溶体的弛豫基铁电或压电单晶的切片。
8.根据权利要求6所述的换能器，其中，所述有源元件包括[1-10]1x[110]2x[001]3切割的[001]3极化单晶，其中[001]3是纵向方向，并且[1-10]1和[110]2是两个侧向或横向方向。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的换能器，其中，有源元件包括在至少一个横向方向上具有d31(或d32)≥400pC/N且k31(或k32)≥0.60的横向压电性能的织构多晶陶瓷的组合物，
其中d31和d32是相关的横向压电应变系数，k31和k32是相关的机电耦合因子。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的换能器，其中，所述有源元件包括压电单晶或织构多晶压电陶瓷的改性组合物，所述改性组合物在至少一个横向方向上具有d31(或d32)≥
400pC/N且k31(或k32)≥0.60的横向压电性能，
其中d31和d32是相关的横向压电应变系数，且k31和k32是相关的机电耦合因子。
11.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，还包括：结合在活性材料之间的中间块。
12.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，还包括：尾部块，所述尾部块结合到与所述有源元件的所述声波发射面相对的面上。
13.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中，所述换能器是直接驱动、无活塞设计。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的换能器，还包括：刚性或挠性类型的头部块。
15.根据权利要求1至13中任一项所述的换能器，还包括：附接到所述有源元件的声波发射面的至少一个匹配层。
16.根据权利要求15所述的换能器，还包括：设置在匹配层的顶部上的至少一个透镜层，以适合期望的应用。
17.根据权利要求1、2或3所述的换能器，所述换能器在组合或多谐振模式下运行。
18.根据权利要求1、2或3所述的换能器，所述换能器在耦合模式下运行。
19.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，所述换能器用于声音/超声产生、发射和接收中的至少一个。
对角共振式声音及超声换能器
技术领域
背景技术
[0002] 由于诸如多路径传播、信道的时间变化、小的可用带宽和强信号衰减之类的因素，水下通信可能是复杂的，尤其是在长距离上。此外，与陆地通信相比，水下通信具有低数据速率，由于水下通信使用声波而不是电磁波。水下声换能器通常用于船舶和潜艇声纳、海洋勘测、地震勘探、海洋生命研究、医疗设备和工业接近感测。
[0003] 现代水下声换能器通常是由诸如锆钛酸铅(PbZr0.52Ti0.48O3或PZT)多晶陶瓷、弛豫基单晶、以及矩形、盘形、棒形、管形或球形的压电陶瓷-聚合物复合材料等压电材料驱动的机电换能器。根据目的和材料特性，可以采用有源元件的多种驱动模式。最常用的驱动模式包括纵向(33或LG)模式和常规的横向宽度(31或CTW)模式。
[0004] 在纵向(33或LG)模式操作中，沿着极化(3)方向激活有源元件，并且在相同方向上产生声束。在常规的横向宽度(31，或CTW)模式操作中，换能器的有源元件沿着两个侧向或横向方向中的一个方向被激活谐振，这个方向也是声束方向。因此，在这些操作模式中，谐振和声束处于相同的方向。
[0005] 图1a示出了在纵向(LG)模式下运行的发射元件100的示例。在该图中，有源元件102被结合到背衬材料104上。背衬材料104是柔软的高阻尼背衬材料，该背衬材料具有减少有源元件102的振铃的效果，以便在使用短脉冲长度信号时提高轴向分辨率。阴影的顶表面
106和底表面108表示有源元件上的电极。响应于沿极化(3-)方向施加的输入交流电压，有源元件102振动并在所述方向向周围介质辐射声能。
106和底表面108表示有源元件上的电极。响应于沿极化(3-)方向施加的输入交流电压，有源元件102振动并在所述方向向周围介质辐射声能。
[0006] 图2a中提供了常规的横向宽度模式换能器元件200的一个例子。在该示例中，有源元件202沿方向3穿过其电极表面204和相对面(图中未示出)被极化。重的尾部块206用于帮助将声能向顶部方向投射。有源元件202振动并沿相同的侧向横向方向向周围介质辐射声能。
[0007] 图2b示出了如由Zhang和Lin(WO2015/126321A1)所描述的新横向宽度驱动模式。在该模式中，有源元件202在与其极化(3-)方向正交的横向方向上被激活谐振，并且在另一个横向方向或纵向方向上生成声波，这两个方向都与谐振方向正交。这种模式在下文中被称为横向共振正交束(TROB)模式。
[0008] 图1b描绘了TROB操作模式下的LG型换能器100。在该图中，有源元件102在与其极化(3-)方向正交的一个或两个侧向方向上被激活。声束沿着与谐振方向正交的极化(3-或LG)方向产生。
[0009] 由于诸如Pb[Zn1/3Nb2/3]O3-PbTiO3(PZN-PT)、Pb[Mg1/3Nb2/3]O3-PbTiO3(PMN-PT)、Pb[Mg1/3Nb2/3]O3–PbZrO3–PbTiO3(PMN-PZT)和Pb[In1/2Nb1/2]O3-Pb[Mg1/3Nb2/3]O3-PbTiO3、(PIN-PMN-PT)固溶体晶体等新一代铅基弛豫固溶体单晶具有极高的压电应变系数(dij)、机电耦合系数(kij)和泊松比效应，因此TROB驱动模式成为可能。
[0010] 例如，[001]-极化PZN-6％PT单晶具有优异的纵向(d33≈2700pC/N,k33≈0.93)和良好的横向压电性能(d31≈-1560pC/N,k31≈0.85)。并且，对于[011]-极化PZN-5.5％铂单晶，d33≈1900pC/N,d32≈-2600pC/N,k33≈0.92,k32≈0.90。后者的晶体切割也有很高的泊松比。例如 (例如请参见，A.A.Heitmann,J.A.Stace,L.C.Lim和A.H.Amin，“Influence of compressive stress and electric field on the stability of[011]poled and[0-11]oriented 31-mode PZN-0.055PT single crystals(压缩应力和电场对[011]极化和[0-11]取向31模式PZN-0.055PT单晶稳定性的影响)”，Journal of Applied Physics(应用物理杂志)，第119卷，224101，2016年)。
发明内容
[0011] 发明目的
[0012] 本发明的目的是将现有技术的TROB模式扩展到除了两个侧向宽度方向之外的横向方向。更具体地说，对于纵模矩形有源元件，本发明提供了TROB模式也可以在交叉面对角线横向方向上激活，或者在覆盖两个面对角线方向的交叉角扇区上激活。因此，本发明的驱动模式在下文中可以被称为对角横向共振正交束(D-TROB)模式。
[0013] 本发明的另一个目的是将对角谐振模式扩展到横模有源元件。在这种情况下，谐振对角线方向与横模声束方向成锐角。为了简单起见，这种模式以及在本文描述的D-TROB模式被统称为对角谐振(DR)驱动模式。
[0014] 本发明的另一个目的是提供一种操作本文描述的DR模式的声音或超声发射元件及其阵列。
[0015] 本发明的另一个目的是提供一种换能器，其被设计成在多谐振频率模式下或者在宽带耦合模式下或者在诸如具有合适的头部块和/或中间块、匹配层和/或透镜层、具有或不具有尾部块等其它衍生形式下工作，其中多谐振频率模式中的至少一个谐振模式是DR模式，宽带耦合模式中的至少一个基模是DR模式。
[0016] 本发明的另一个目的是在水下、医疗和工业领域的声音和超声产生和接收中利用DR模式。
[0017] 发明概述
[0018] 本发明包括一种换能器，该换能器包括矩形或大体上呈矩形的有源元件，该有源元件在两个相对面上被电极化并且在整个电极面上被极化。有源元件可以设置成半波长或四分之一波长谐振模式，使得谐振方向沿着有源元件的外表面的交叉面对角线方向或大体上沿有源元件的外表面的交叉面对角线方向。在与谐振对角线方向正交的或成锐角的方向上产生声束。
[0019] 本发明还包括一种换能器，该换能器包括矩形或大体上呈矩形的纵向模式有源元件，该有源元件在两个相对面上被电极化并且在整个电极面上被极化。有源元件可以沿有源元件的电极面的交叉面对角线方向或大体上沿交叉面对角线方向设置在半波长谐振模式中。沿着与谐振对角线方向正交的纵向极化方向产生声束。
[0020] 此外，本发明包括一种换能器，该换能器包括矩形或大体上矩形的有源元件，该有源元件在两个相对面上被电极化并且在整个电极面上被极化，该有源元件可以设置成半波长或四分之一波长谐振模式，使得谐振方向沿着有源元件的交叉体对角线方向或大体上沿着有源元件的交叉体对角线方向。在与谐振方向正交的或成锐角的方向上产生声束。
[0022] 此外，有源元件可以包括压电单晶的组合物和切片，压电单晶在至少一个横向方向上具有d31(or d32)≥400pC/N且k31(或者k32)≥0.60的横向压电特性，其中d31和d32是相关的横向压电应变系数，k31和k32是相关的机电耦合因子。有源元件可以包括Pb(Zn1/3Nb2/3)O3,Pb(Mg1/3Nb2/3)O3,Pb(In1/2Nb1/2)O3,Pb(Sc1/2Nb1/2)O3,Pb(Fe1/2Nb1/2)O3,Pb(Yb1/2Nb1/2)O3,Pb(Lu1/2Nb1/2)O3,Pb(Mn1/2Nb1/2)O3,PbZrO3和PbTiO3及其改性和/或掺杂衍生物中的一种或多种的二元、三元和更高元固溶体的弛豫基铁电或压电单晶的切片。
[0023] 此外，有源元件可以包括[1-10]1x[110]2x[001]3切割的[001]3极化单晶，其中[001]3是纵向方向，且[1-10]1和[110]2是两个侧向或横向方向。有源元件可以包括在至少一个横向方向上具有d31(或d32)≥400pC/N且k31(或k32)≥0.60的横向压电性能的织构化多晶陶瓷的组合物。在替代方案中，有源元件可以包括压电单晶或织构多晶压电陶瓷的改性组合物，该改性组合物在至少一个横向方向上具有d31(或d32)≥400pC/N且k31(或k32)≥0.60的横向压电性能。
[0024] 在另一个实施例中，换能器包括结合在活性材料之间的中间块。它还可以包括结合到与有源元件的声波发射面相对的面上的尾部块。换能器可以是直接驱动、无活塞设计。此外，换能器可以包括刚性或挠性类型的头部块。
[0025] 换能器还可以包括附接到有源元件的声波发射面的匹配层。换能器还可以包括设置在匹配层的顶部上的透镜层。换能器可以在组合的多谐振模式或耦合模式下运行。换能器可以用于声音/超声的产生、发射和接收。
[0026] 简介
[0027] 本发明的目的是通过利用有源元件中的声速分布和由此的频率常数来激励用于声音和超声产生和接收的压电换能器的被称为对角共振(DR)模式的新操作模式来实现的。
[0028] 根据本发明的实施例，由矩形形状的有源元件制成的纵向模式换能器被激活为沿有源元件的电极面的两个交叉面对角线方向或包括交叉对角线方向的交叉角扇形区进行横向谐振，使得在与谐振交叉面对角线方向正交的纵向方向上生成声束方向。
[0029] 根据本发明的另一实施例，由矩形或基本矩形的有源元件制成的横向模式换能器被激活为在有源元件的电极面上沿两个面对角方向或包括两个交叉面对角方向的交叉角扇区进行横向谐振，使得沿活性材料中与谐振对角线方向成锐角的横向宽度方向之一产生声束方向。
[0030] 根据本发明的另一实施例，有源元件包括单片的活性材料或具有相同或相当尺寸的多个活性材料及切片，活性材料及切片基本上为矩形，在拐角处具有或没有各种尺寸的倒角或圆角，它们以并联、串联、部分并联或部分串联结构中的一种电连接。
[0031] 根据本发明的另一实施例，换能器包括结合到与有源元件的声波发射面相对的面上的尾部块。尾部块可以是重的尾部块或柔软且高阻尼的背衬材料中的一种，以适合期望的应用。
[0032] 根据本发明的另一实施例，换能器包括一个或更多个结合在活性材料之间的中间块，以适合期望的应用。
[0033] 根据本发明的另一实施例，换能器包括直接驱动、无活塞设计或具有刚性或挠性类型的头部块以适合期望的应用。
[0034] 根据本发明的另一个实施例，换能器包括一个或更多个附接到有源元件的声波发射面的匹配层。
[0036] 当结合附图阅读时，可以更好地理解以上概述以及以下对说明性实施例的详细描述。为了说明本发明的目的，在附图中示出了本发明的示例性构造。然而，本发明不限于本文公开的具体方法和手段。此外，本领域技术人员将理解附图不是按比例绘制的。
[0037] 图1a是描述根据现有技术的矩形纵向(LG)模式换能器的工作原理的示意图，该换能器包括具有柔软且高阻尼背衬层的有源元件，该背衬层在极化方向上以半波长LG模式谐振。
[0038] 图1b示出了在WO2015/126321A1中描述的以半波长横向共振正交束(TROB)模式运行的图1a的换能器。
[0039] 图2a是描述根据现有技术的矩形常规横向宽度(CTW)模式换能器的工作原理的示意图，该换能器包括在声束方向上以四分之一波长CTW模式谐振的具有刚性和重背衬层的有源元件。
[0040] 图2b示出了在WO2015/126321A1中描述的在半波长横向共振正交束(TROB)模式中运行的图2a的换能器。
[0041] 图3描述了根据本发明的实施例的在对角谐振(或D-TROB)模式中谐振的LG型有源元件的工作原理。
[0042] 图4示出了根据本发明的另一实施例的以对角谐振模式谐振的CTW型元件的工作原理。
[0043] 图5是示出了作为弹性柔顺常数 的方向依赖性的[001]3-极化PZN-6％PT晶体中的声速分布的曲线图。
[0044] 图6a是在[1-10]1x[110]2x[001]3切割的[001]3-极化PZN-6％PT晶体的矩形有源元件的方形(001)电极面中沿着各径向方向的归一化半波长模式共振频率的示例性曲线图，其中[001]3是极化LG方向，且[1-10]1和[110]2是两个侧向或横向方向。在这种情况下，交叉面对角线方向是沿着[100]c和[010]c结晶方向。
[0045] 图6b示出了响应于52kHz的输入交流电压在所述谐振下被激活的材料块。
[0046] 图6c示出了响应56kHz的输入交流电压在所述谐振下被激活的材料块。
[0047] 图7示出了工作在本发明的对角谐振(DR)模式下的多晶换能器。
[0048] 图8示出了图7中描述的换能器在48kHz到63kHz范围上DR模式所测量的发射电压响应(TVR)曲线图。
[0049] 图9a描述了在本发明的DR模式下激励的其它可能的换能器。这里，对角谐振发生在非电极面上。
[0050] 图9b示出了在本发明的DR模式下激励的其它可能的换能器的示例。这里，对角共振沿着活性材料内的四个体对角方向发生。
[0051] 图10a示出了在拐角处具有大的倒角的近似矩形形状的活性材料的换能器，该倒角是促进换能器中的DR模式的期望设计特征。
[0052] 图10b示出了在拐角处具有圆角的近似矩形形状的活性材料的换能器。圆角或故意成形的弯曲转角是促进换能器中的DR模式的期望设计特征。
具体实施方式
[0053] 在本说明书中对“一个实施例/方面”或“实施例/方面”的引用意味着结合实施例/方面描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例/方面中。在说明书中的各个地方使用短语“在一个实施例/方面”或“在另一个实施例/方面”不一定全部指代相同的实施例/方面，也不是与其他实施例/方面相互排斥的单独的或替代的实施例/方面。此外，描述了可由一些实施例/方面而不是由其它实施例/方面展现的各种特征。类似地，描述了一些实施例/方面而不是其他实施例/方面的要求。实施例和方面在某些情况下可以互换使用。
[0054] 在本发明的上下文中，以及在使用每个术语的特定上下文中，本说明书中使用的术语通常具有它们在本领域中的普通含义。用于描述本发明的某些术语在下文或说明书中的其它地方讨论，以向从业者提供关于本发明的说明书的额外指导。为了方便起见，某些术语可以被突出显示，例如使用斜体和/或引号。使用突出显示对术语的范围和含义没有影响；在相同的上下文中，术语的范围和含义是相同的，无论其是否被突出显示。将会理解，能够以多种方式表达相同的事情。
[0055] 因此，替代语言和同义词可以用于本文讨论的任何一个或多个术语。无论术语是否在本文中详细阐述或讨论，术语也不具有任何特殊意义。提供了某些术语的同义词。一个或多个同义词的叙述不排除使用其他同义词。本说明书中任何地方的示例的使用，包括本文讨论的任何术语的示例，仅是说明性的，并且不旨在进一步限制本发明或任何示例性术语的范围和含义。同样，本发明不限于本说明书中给出的各种实施例。
[0056] 在不旨在进一步限制本发明的范围的情况下，下面给出根据本发明的实施例的仪器、装置、方法及其相关结果的示例。注意，为了方便读者，在示例中可以使用标题或副标题，这决不应限制本发明的范围。除非另有定义，否则本文所用的所有技术和科学术语具有与本发明内容所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。如有冲突，以本文件，包括定义为准。
[0057] 优选实施例
[0058] 本发明提供了一种用于声音和/或超声产生、发射和接收的新的运行模式。采用新运行模式的换能器包括矩形有源元件，该矩形有源元件在有源元件的电极面上沿着交叉面对角线方向或包括两个交叉面对角线方向的交叉角区段被激活谐振，使得沿着横向宽度方向之一或纵向产生声束方向。
[0059] 本文描述的驱动模式不同于Zhang和Lin(WO2015/126321A1)描述的横向谐振正交模式(TROB)，其中活性材料的谐振方向沿着有源元件的一个或两个横向宽度方向而不是面对角方向。
[0060] 这种谐振模式在本文被称为对角谐振(DR)模式，且在这种谐振模式下工作的换能器在本文被称为对角谐振(DR)换能器。
[0061] DR运行模式下的换能器包括基本上为矩形的有源元件，该有源元件在两个相对面上具有电极，并且穿过电极面被极化。图3示出了本文描述的DR模式下运行的换能器300的示例。有源元件302被结合到重的尾部块304上。阴影的顶部306和底面308表示电极面。有源元件302沿电极表面的两个横向对角线方向被激活谐振，并且在正交极化或LG方向上产生声束。有源元件的激励由机械激励方向箭头(在图中沿AA’和BB’)表示。此外，活性材料也可以如图1a和1b中所描述的常规LG和TROB模式下激活。应当注意，在这种情况下，TROB和DR模式两者的谐振方向都与声束方向正交。
[0062] 或者，如图4所示，新DR模式可以在其声束方向沿着其两个横向宽度方向之一的有源元件中被激活。换能器400包括有源元件402、由柔性高阻尼材料制成的背衬元件404、两个电极406及其相对面。DR模式的谐振方向在由有源元件的两个横向宽度方向限定的面内。虽然TROB模式的谐振方向与声束方向成直角，但在这种情况下DR模式的谐振方向与声束方向成锐角。
[0063] 由于弛豫基固溶体单晶中的各向异性声速，通过分布声速以及由此的单晶有源元件中的共振频率，使得本发明的DR驱动模式成为可能。与性质在所有横向方向(极化后的∞m对称的横向方向)是均匀的PZT多晶陶瓷不同，弛豫基多畴单晶的性质是依赖取向的(参见，例如，E.Sun和W.Cao，“Relaxor-based ferroelectric single crystals:Growth,domain engineering,characterization and applications(弛豫基铁电单晶：生长、领域工程、表征和应用)”，Progress in Materials Science(材料科学进展)，第65卷，第124-210页，2014年；S.Zhang，F.Li，X.Jiang，J.Kim和J.Luo，“Advantages and challenges of relaxor-PbTiO3ferroelectric crystals for electroacoustic transducers–Areview(弛豫-PbTiO3铁电晶体用于电声换能器的优点和挑战-A综述)”，Progress in Materials Science(材料科学进展)，第68卷，第1-66页，2015年)。由于弹性常数( 和 )的取向依赖性，在由合适切割的弛豫基单晶制成的有源元件中实现了声速的分布。
[0064] 图5是由于弹性柔顺常数 的取向依赖性导致的[001]3-极化PZN-6％PT薄板在电场下的电极平面中的声速分布图。使用 确定沿每个方向的声速，其中 是该方向上的弹性柔顺常数，ρ是材料密度。弹性柔顺常数 的值是使用坐标转换从Shukla等人(R.Shukla，K.K.Rajan，M.Shanthi，J.Jin和L.C.Lim，“Deduced property matrices of domain-engineered relaxor single crystals of[110]L×[001]T cut:Effects of domain wall contributions and domain-domain interactions([110]L×[001]T切割的领域工程弛豫单晶的推导性质矩阵：畴壁贡献和领域-领域交互的影响)”，Journal ofApplied Physics(应用物理杂志)，第107卷，第1期，第014102页，2010年)报道的测量性质获得的。在该图中，0°和90°方向分别沿着晶体学上等价的[1-10]1和[110]2轴。对于从0°逆时针旋转90°(沿[1-10]1方向)，声速首先从其最大值降低，并在45°(沿[100]晶向)处达到最小值，然后在90°(沿[110]2晶向)处再次增加到其最大值。
[0065] 对于已知尺寸的有源元件，可以基于声速和在该方向上的有源长度来估计沿着特定晶体方向的半波长谐振频率。图6a是示例性的PZN-6％PT晶体组合物9.6mm×9.6mm方形截面的有源元件和[1-10]1×[110]2×[001]3切割的电极平面中沿不同方向的半波长共振频率的图，其中[001]3是极化和LG方向，而[1-10]1(0°方向)和[110]2(90°方向)是两个侧向或横向。所示的谐振频率相对于电极平面(即，沿[1-10]1和[110]2晶体方向)中的最高值被归一化。
[0066] 图6a示出了对于所述晶体切片，最小谐振频率沿着[100]和[010]晶体方向，其也碰巧是该晶体切片的电极表面上的面对角线方向。沿着两个面对角线方向，预期的谐振频率是沿着晶体的两个横向方向的最大值的大约47％，在这种情况下，晶体的两个横向方向是[1-10]1和[110]2晶体方向。该图还示出了在包含活性材料的电极面的两个面对角线的料的交叉角形材板内，谐振频率相对恒定。因此，当激励频率与所述有源元件的面对角线谐振频率匹配时，所述活性材料的交叉角形板可以被激活共振，面对角线谐振频率预期低于LG谐振和TROB谐振两者。
[0067] 图6b和6c示出了图6a中的典型有源元件的(001)电极面，其中阴影区域给出了材料中显示出52kHz(图6b)和56kHz(图6c)的同等的对角谐振频率的面积(或体积)。这些图表明，当交流输入电压的频率集中在52-56kHz左右时，构成包含电极面的交叉面对角线的交叉角板的材料的大部分将被设置成谐振。这种独特的特性使得有可能利用谐振频率的分布来激励用于声音和超声生成的DR模式。同时，这种特性也指出了通过使用适当晶体切片的活性材料并调整有源元件的形状以实现所需的谐振频率分布和声学特性来定制DR模式的谐振频率和带宽的可能性。
[0068] 为了有效激活本发明的新型DR模式以产生声音和超声，活性材料应当具有高压电性能，尤其压电系数(dij)、机电耦合因子(kij)和相对高的泊松比(νij)。
[0069] 具有所需性能和特性的活性材料包括新一代弛豫基固溶体压电单晶，例如[001]3极化的固溶体单晶：Pb[Zn1/3Nb2/3]O3-PbTiO3(PZN-PT)、Pb[Mg1/3Nb2/3]O3-PbTiO3(PMN-PT)、Pb[Mg1/3Nb2/3]O3–PbZrO3–PbTiO3(PMN-PZT)、Pb[In1/2Nb1/2]O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3、(PIN-PMN-PT)以及它们的组成改性的三元和四元以及掺杂衍生物。
[0070] 图7示出了设计成以DR模式运行的示例的多晶换能器500，用于经由半波长谐振模式在水中生成大约55kHz的声波。所述有源元件502包括并联电连接的具有相同的晶体切割和尺寸的六个[001]3极化PZN-6％PT单晶。有源元件的两个横向方向的物理尺寸为9.6mm，两个横向方向是晶体学上等效的[1-10]1和[110]2晶体方向。图中所示的阴影面表示有源元件502上的电极。重的尾部块504结合到有源元件502的底面，以促进声能朝向期望的顶部方向传输。为了清楚起见，在该图中没有示出周围的应力/压力释放材料、连接到相应电极的导线和垫片、密封材料和壳体。
[0071] 在本文描述的DR操作模式下，图7中的有源元件500将沿着图中的双头箭头所示的有源元件的两个面-对角线方向谐振，两个面-对角线方向也是[100]和[010]晶向。在所述共振面对角方向上引起的应变通过泊松比效应被传递到[001]3极化方向，并且产生预期的声束。
[0072] 图8示出了图7中的示例的换能器500的发射电压响应(TVR)图。55kHz TVR峰值是由设计DR模式产生的峰值。有趣的是，当在80Vrms处驱动而没有DC偏置时，所述DR模式产生153dB的高TVR(在1米处re 1μPa/V)和大于191dB的高声压等级(在1米处re 1μPa)。
[0073] 除了对应于换能器的DR模式的TVR峰值之外，图8还示出了在较高频率(＞70kHz)处的TVR峰值，这可以归因于沿着[1-10]1和[110]2横向方向的TROB模式，以及沿着[001]3极化方向的LG模式。
[0074] 如图8所示，当适当设计时，DR模式可以生成显著高的TVR，比同一换能器在TROB或LG模式下工作时高至少8dB。上述实验结果证实DR模式是用于声音和超声产生的有前景的驱动模式。
[0075] 如在图9a和9b中分别示意性地示出的，除了在电极面中的面对角线方向上谐振之外，DR模式还可以在非电极面上的面对角线方向上以及沿着有源元件的交叉体对角线方向执行。这是可能的，只要所述对角线方向在有源元件中具有较低或最低的声速。
[0076] 此外，可以修改或调整有源元件的角的形状，以在包含活性材料的面或体对角线的材料的交叉板中获得更平坦的谐振频率分布。例如，拐角可以被适当地斜切、圆化或成形为任何曲率以促进DR模式适合特定应用。图10a和10b中提供了这样的例子。
[0077] 此外，不使用具有相同尺寸和晶体切割的活性材料，活性材料可以具有不同但相当的尺寸和/或不同的晶体切割以适合特定应用，只要该配置有助于促进用于声音和超声生成的DR驱动模式。
[0078] DR模式还应用于添加有适合期望应用的一个或更多个附加块的换能器。这种附加块包括结合到有源元件的底表面上的尾部块、结合在活性材料之间的中间块、结合在有源元件的顶表面上的刚性或挠曲性的头部块、附接到有源元件的声波发射面的匹配层或匹配层的顶部上的透镜层。
[0079] DR模式可以被设计为在独立模式下操作，其中其谐振频率充分远离其他谐振模式。
[0080] 新型DR模式可以与其它谐振模式一起使用以形成宽带换能器。在形成宽带换能器时，新型DR模式的谐振频率应当充分接近现有技术(即图1和2)中描述的一个或多个驱动模式，或者接近另一DR模式。或者，在单独或组合模式操作下，可以使用诸如外部电子设备等方法来调谐或调节利用DR模式的换能器的电输入，以获得期望的输出，从而满足特定应用的要求。
[0081] 此外，本发明还应用于使用换能器元件和阵列对频率与接收模式中的构成元件的DR模式相当的声音进行声音和超声接收。在这种情况下，与换能器工作在非共振模式时相比，实现了增强的接收灵敏度。
[0082] 本文所述的本发明还应用于换能器及其阵列，用于组合的声音和超声发射和接收。在这种情况下，共振或非共振模式都可以用于声音接收。
[0083] 本文所述的本发明的换能器及其阵列在许多领域中找到应用，包括水下应用，诸如水下成像、测距和以从低的数十kHz到低的数十MHz的典型工作频率范围的通信等；医学应用，诸如在医学成像中，其典型的工作频率范围从中间的几百kHz到高的几十MHz；以及工业应用，诸如结构和缺陷成像等，其工作频率可以根据所检查的材料从几十kHz到几十MHz广泛变化。
[0084] 对于本领域技术人员来说，显而易见的是，在不脱离本发明的主要特征的情况下，可以采用、修改、改进或用不同但等效的方法替换本文所述的结构、尺寸、材料选择。此外，可以添加附加特征以增强换能器和阵列的性能和/或可靠性。这些替代、备选、修改或改进应视为属于所附权利要求书的范围和字面意思。
[0085] 此外，以上公开内容的变型和其它特征和功能或其替代方案可以组合到许多其它不同的系统或应用中。此外，本领域技术人员随后可以做出各种目前未预见或未预期的替代、修改、变化或改进，这些也将由所附权利要求涵盖。
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