声频定向超声波换能器的研究.pdf

摘 要
声频定向超声波换能器是一种能产生高指向性可听声音的装置。该装置向空
气中发射具有一定差频信号的超声载波，在空气中传播时两列超声载波信号发生
非线性交互作用，从而自解调产生低频可听声，并以高指向方式传播给收听者。
论文提出了计算超声波换能器阵列发出的声音定向性的分析方法，此方法通
过计算换能器阵列声压的大小来判断声音的方向性，同时研究了换能器尺寸参数
及其阵列的单元个数和阵列方式等对声音定向性的影响。并设计和制作了超声波
换能器，实验测试表明合理的阵列方式可以获得很强的指向性。
论文选择聚偏二氟乙烯膜（PVDF 膜）作为换能器的辐射材料，研究了 PVDF 膜
阵列的制作方法，设计和制作了应用于空气中的五套声频定向超声波换能器，包
括：采用胶粘成形的方法制作的单个阵列的圆形换能器、压制成形方法制作的凹
凸柱面膜阵列换能器、胶粘成形方法制作的改进型凹凸柱面膜阵列换能器、高温
加压方法制作的凹柱面膜阵列换能器、及使用胶粘成形方法制作的改进型凹柱面
膜阵列换能器。
论文分析了圆形换能器和柱面膜阵列换能器在自由延伸条件下的振动特性，
分析了柱面膜阵列换能器在实际边界约束条件下的振动特性，并以此理论为基础，
分析了柱面膜阵列换能器的频率响应特性，推导了柱面膜阵列换能器的声压和指
向性理论，研究了柱面膜换能器阵列个数，柱面膜半径，柱面膜弧度等结构参数
对换能器指向性能的影响。
建立超声波换能器的谐振频率测试方法，测量了圆形换能器的谐振频率，验
证了压电材料 PVDF 膜的自由延伸谐振理论用于指导声频定向超声波换能器谐振频
率设计的可行性，测量了柱面膜阵列换能器的谐振频率。建立声压测试方法及搭
建实验平台，并测试了柱面膜阵列换能器的声压频率响应特性及其指向特性，验
证了柱面膜阵列换能器的指向性理论分析的正确性，柱面膜阵列制作工艺的可行
性。
关键词：超声波换能器，声频定向，换能器阵列，PVDF 膜

I
ABSTRACT
Ultrasonic Audio Beam Transducer is a revolutionary way of projecting audio
signal in a highly directional manner to the listener. Two modulated ultrasonic waves
with difference frequency were emitted to the air by this new equipment. After
nonlinear interaction, a high-directivity audio beam is developed which can generate
beam of audio.
The directivity of the Ultrasonic Audio Beam Transducer was studied in this paper.
To determine the directivity of the beam, sound pressure of the transducer was
calculated. The effect of structure and array pattern on the directivity was also studied.
Some ultrasonic transducer are designed and fabricated. The experimental results shown
that the proper structure and array pattern of the elements can lead to sharper directivity
Five ultrasonic transducers were design and fabricated by using the Poly
Vinylidene Fluoride (PVDF film) membrane, including: concavo-convex transducer
which fabricated by the pressing method, concavo transducer which fabricated b