一种大功率超声波发声系统原理与结构设计

    1 引 言

    超声波具有独特的物理作用机制，如热学作用、机械力学作用、空化作用等[1]。向空气中发射和接收超声波的气介式超声波技术，有很好的应用前景，例如可以用于以气体做耦合剂的超声无损检测[2,3]；超声波测距，涂层、布匹的厚度测量[3,4]；风速和交通流量测量；超声物体识别，机械手的视觉传感器[5,6]，位置点传感器[2]；以及生物医学领域的皮肤癌变[7]、儿童脊柱侧弯的测量[8]等等。另外，大功率气介式超声波在军事上也具有潜在的应用价值。

    大功率超声在空气中的应用难点来源于两个主要方面，一是普通的换能器同空气的声阻抗严重失配，因气体和固体的阻抗率分别为 4×10-4Mrayl和 1~35Mrayl，因而气体和固体在界面上的透射率很低；二是超声在空气中的强衰减。

    为了解决以上问题而设计了一种大功率超声波发声系统。该大功率超声波发声系统主要有以下特点：采用哈特曼超声波发生器阵列来产生大功率超声；采用火药燃烧(炸药爆轰)的方式产生高压气流来驱动超声波发生器；采用波导管对超声波进行汇聚，在一定方向上发射，有效地提高了作用距离。由于体既是超声波产生的声源又是超声波传播的载体，因而可以解决换能器与传播媒质(空气)阻抗失配的问题。

    2 大功率超声波发声系统的内部结构设计

    超声波发声系统的内部结构如图 1 所示。

    设计的超声波发声系统主要由点火引信、爆炸腔(燃烧室)、炸药(燃料)、喷管、Hartmann 声波发生器阵列、波导管等组成。如图 1 所示两种结构。图 1(a)中燃料点火燃烧产生大量高能气体流，经喷管喉部加速后产生超音速射流，驱动 Hartmann 超声波发生器阵列。图 1(b)是通过弱爆轰产生高能量气体，瞬间高能量气体在喷口直接形成超音速流，驱动 Hartmann 超声波发生器阵列。

    设计的超声波发声系统结构，具有以下特点：

    (1) 选择使用哈特曼(Hartmann)超声波发生器来产生大功率超声波。单个哈特曼超声波发生器的结构和原理如图 2 所示[9]。

    超声波发生器由收缩喷管、开口振荡区和谐振腔组成。要求气流流速高于其声速，气流喷口内的压力与空气大气压差 Pc 必须大 0.09MPa[10,11]。当气流从喷口喷出时，喷嘴与共振腔之间的压力产生期性的起伏。这是由于气流速度超过声速产生的，具有不稳定性。把共振腔置于不稳定区域即激发出强的超声波。Hartmann 超声波发生器的特点是；结构简单，造价低廉，产生超声波功率大，而且产生的超声波易于与空气阻抗匹配。为了提高发声功率，超声波发声系统使用 Hartmann 超声波阵列。如图 1 中采用的是单层多个 Hartmann 超声波发生器的阵列。