CN101712027B - 由平面圆片元件组成的中心对称相控聚焦阵换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由平面圆片元件组成的中心对称相控聚焦阵换能器，包括基座、外壳、若干个阵元，所述阵元的分布采用中心对称的平面同心圆形式，由若干个平面圆片压电元件排列成圆形，代替单个大尺寸圆环压电元件。所有平面圆片压电元件上表面与铜网公共电极相接，半径为r的圆上的所有平面圆片压电元件下表面用电激励信号线串接为一路，并由一路电源单独激励，形成一条支路。本发明的优点在于：布阵方式采用若干个平面圆片压电元件排列成圆形，以代替单个大尺寸圆环压电元件。相比采用大圆环元件制作的换能器，新型换能器采用适当的加工制作工艺，既能继承相控聚焦圆环阵的优点，又能改善其缺点。

Description

由平面圆片元件组成的中心对称相控聚焦阵换能器

所属技术领域

本发明属于压电与声学领域内的超声应用，主要是一种由平面圆片元件组成的中心对称相控聚焦阵换能器。

背景技术

超声相控阵技术已有近30多年的发展历史。目前，主要应用于医学超声成像、工业无损检测、石油测井成像和高温肿瘤治疗等领域，国内目前可查的相关专利有十多项。

现有的超声换能器的聚焦方式主要有：曲面自聚焦、声透镜聚焦和相控聚焦。相控聚焦是基于声波的干涉原理实现的，不同的声波在介质中传播时，同相则声压叠加增大，异相则声压抵消减小。由多个阵元按一定方式排列成换能器阵列，分别调整每个阵元发射信号的波形、幅度和相位延迟，使各阵元发射的超声子波束在空间同相位叠加合成，形成声压的最大值，即使得波束聚焦。其基本思想是调整各阵元发射信号的相位，使得各阵元到达空间某点的声束具有相同的相位。与曲面自聚焦和声透镜聚焦相比，相控阵换能器最显著的特点是可以灵活、便捷而有效地控制声束形状和声压分布，其声束角度、焦柱位置、焦点尺寸及位置在一定范围内连续、动态可调，与传统的超声检测和医疗应用有着多方面的优越性，

要实现相控聚焦，首先要通过计算换能器辐射声场来优化布阵设计，相控聚焦阵列辐射声场的计算方法是在线性谐波辐射理论和相控原理基础上推导而来，并结合相控理论，进行大量数值仿真计算，主要是研究结构和频率参数对聚焦效果影响的规律；然后根据仿真结果，优化设计出满足要求的相控聚焦换能器阵列。

线性谐波辐射理论中主要应用赫姆霍茨-惠更斯积分公式瑞利积分，如下式

$\mathrm{\φ}(r,\mathrm{\α})=\frac{u_a}{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^a\frac{e^{-\mathrm{jkl}}}{l}{r}^{\′}d{r}^{\′}\mathrm{d\β}$

设阵中心为参考中心，R为参考距离，O点设定聚焦点，要使得第n个阵元的波束到达O点时的相位与阵中心到达O点时的相位相同，则需对第n个阵元作时间补偿为

$\mathrm{\Δ}{t}_n=\frac{\sqrt{{R_n^{\′}}^2+R^2}-R}{c}$

则对应的相位延迟为

Δφ_n＝ωΔt_n

目前为止人们已经对多种布阵方式的相控聚焦开展了较多的研究，其中包括由圆环阵元组成的相控聚焦阵。该种圆环阵换能器的辐射声场具有良好的中心对称性，能够实现中心轴上的相控聚焦，焦点深度可调节。布阵方式一般采用同心圆环嵌套形式，通常采用等面积元件辐射面积或等宽内外半径差元件。

但该种形式制作使用的大型换能器存在多方面的问题：第一，由于工作频率较高通常在数百千赫至数兆千赫，为了减小平面振动耦合，大圆环阵元的宽度尺寸较小，而大尺寸直径、窄宽度的高频圆环压电陶瓷元件制作难度较大，成本很高。而微型元件的尺寸d即直径与声波在介质中的波长可比拟，使得单个平面圆片的波束开角较大，指向性减弱，有利于声波干涉。且平面圆片的制作难度及成本相对大尺寸圆环要低很多，大尺寸圆环压电元件的一致性难以保证，与设计要求往往偏差较大，而小型圆片的性能一致性容易控制，降低了偏差。第二，相同谐振频率的圆环元件厚度随着直径的不同而有所不同，而阵元厚度不同对相控阵换能器的制作精度有较大影响，辐射面的不平整会导致各路阵元的初始相位差不同；第三，大尺寸圆环元件的厚度和宽度处在同一个数量级，即高频大尺寸圆环的宽度和厚度尺寸可比拟，且辐射面积相对较大，其厚度振动和平面振动耦合较强烈，由此引起厚度振动模态不纯净，导致电声效率低下，对发射机提出了更高要求，聚焦效果也较差。

由于以上几点因素，有必要通过某种方式改善相控聚焦圆环阵换能器的性能，既能保留相控聚焦圆环阵的优点，又能改善该种换能器阵列的缺点。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有相控聚焦圆环阵换能器的不足，主要是一种由平面圆片元件组成的中心对称相控聚焦阵换能器，主要应用于超声成像和医学肿瘤超声治疗领域。

为解决上述技术问题，本发明是提出以下技术方案实现的：这种由平面圆片元件组成的中心对称相控聚焦阵换能器，包括基座、外壳、若干个阵元，所述阵元的分布采用中心对称的平面同心圆形式，由若干个平面圆片压电元件排列成圆形，代替单个大尺寸圆环压电元件。所有平面圆片压电元件上表面与铜网公共电极相接，半径为r的圆上的所有平面圆片压电元件下表面用电激励信号线串接为一路，并由一路电源单独激励，形成一条支路。

作为优选，所有阵元的辐射端面处在同一平面上，相邻两个阵元的角度相同，且相邻阵元的边缘间隔大于半波长，目的是为了减小互辐射影响。

作为优选，所述的基座呈平面形式，围绕基座中心的同心圆上分布若干圆形小孔，圆形小孔内嵌套粘接平面圆片压电元件，支路上所有平面圆片压电元件呈均匀分布，角度间隔相同，多个半径不同的圆上形成多个支路，支路的数量大于等于二路。由于小型平面圆片压电元件的一致性较好，且所有平面圆片压电元件的辐射面处在同一个平面上，则该条支路上所有平面圆片压电元件的振动幅度和相位相同，又由于平面圆片压电元件在圆上呈均匀分布，即为中心对成分布，其声波辐射效果与平均半径为r、宽度为d的大尺寸圆环元件相似，从而实现了替代效果。当r从0逐渐增大时，圆的周长增大，因此该支路上的小型平面圆片压电元件的数量也增多，从而增大了辐射面积，这与宽度不变，平均半径增大时大尺寸圆环元件的辐射面积增大是一个道理。

作为优选，同心圆的条数即支路的数量不受限制，但为了实现相控聚焦，应不少于两路，相邻同心圆之间的间隔即支路之间的间隔则根据实际需要设定，可以相同，也可以不同，所有阵元间隔须大于换能器阵列的谐振频率对应的半波长。

作为优选，所述的基座分为上下两层，上层起到定位作用，下层起支撑作用；在基座的上层中心的同心圆上分布若干圆形小孔，圆形小孔内嵌套粘接平面圆片压电元件，在基座上层的上端覆盖有铜网公共电极，铜网公共电极通过胶粘剂与所有平面圆片压电元件的一段粘接，铜网公共电极上设有辐射匹配层，通过采用辐射匹配层技术能够提高换能器阵列的辐射特性，同时增强了可靠性，并起到水密的作用。

作为优选，所述平面圆片压电元件直径、厚度都相同，且元件的直径是厚度的三倍以上，元件材料采用压电单晶或压电陶瓷。

本发明的优点在于：设计一种由平面压电圆片组成的新型中心对称轴向相控聚焦阵换能器，布阵方式采用若干个平面圆片压电元件排列成圆形，以代替单个大尺寸圆环压电元件。相比采用大圆环元件制作的换能器，新型换能器采用适当的加工制作工艺，既能继承相控聚焦圆环阵的优点，又能改善其缺点。

附图说明

图1为由平面圆片元件组成的中心对称相控聚焦阵换能器的结构组成示意图；

图2为若干个平面圆片压电元件排列成圆形替代大尺寸圆环元件的示意图。

图3为采用小型圆片元件替代大尺寸圆环元件后的相控聚焦阵列换能器示意图。

图4为当参考距离为10cm、12cm、14cm、16cm、18cm、20cm时，通过声场扫描测量得到的声场声压分布示意图。

附图标记说明：图中1为基座，2为平面圆片压电元件，3为铜网公共电极，4为辐射匹配层，5为外壳，6为电激励信号线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步说明：

图2为若干个平面圆片压电元件2排列成圆形替代大尺寸圆环元件的示意图，图3为采用小型平面圆片压电元件2替代大尺寸圆环元件后的相控聚焦阵列换能器示意图，由这两图可见平面圆片压电元件2分布呈中心对称的同心圆形式，即各平面圆片压电元件2的圆心处在以基座1的中心为圆心的大圆上，每一条同心圆上的平面圆片压电元件2呈均匀分布，相邻阵元的角度间隔相同。每一个圆上的阵元划为一条支路，即由同一路电源激励，该条支路上所有平面圆片压电元件2的振动幅度和相位相同。

首先采用相控聚焦阵列辐射声场计算方法，通过大量的数值仿真计算，根据仿真结果，优化设计出满足要求的相控聚焦阵列换能器的阵元分布参数，包括小型圆片压电元件2的尺寸、阵元之间的间隔大小和支路数量等参数。

如图1所示，基座1分为上下两层，上层起到定位作用，下层起支撑作用。依据设计好的参数，先将基座1上层加工出如图3右侧所示分布的小孔。再将平面圆片压电元件2嵌套粘接在小孔内，在基座1上层的上端覆盖一层铜网公共电极3，用胶粘剂将铜网公共电极3与所有平面圆片压电元件2的一段粘接，并采用压力台夹紧基座1上层的两端，使得铜网公共电极3与平面圆片压电元件2的粘接端平整。将每一条支路的元件分别用电激励信号线6连接起来，再将基座1的上下两层固定在一起，放置于外壳5中后，再在辐射面灌注匹配层材料，形成辐射匹配层4，待匹配层固化后再连接后端电缆。

在本发明的实施例中，基座直径为9cm，平面圆片压电元件直径6mm，厚度2mm。有四条支路，共60个元件，从基座中心向外的每条支路元件个数分别为6、12、18、24，其每条支路所在同心圆的半径分别为8mm、16mm、24mm、32mm。以基座中心为参考点，参考点到换能器辐射声场中心轴上设定焦点的距离为参考距离也称为焦距，分别依据公式计算每一条支路电激励信号的初始相位，使得每条支路上的阵元辐射声波束到达焦点时的声压相位相同，从而声压实现同相叠加增大。图5所示为焦点分别设定在中心轴上距离基座中心的距离即参考距离为10cm、12cm、14cm、16cm、18cm、20cm时，通过声场扫描测量得到的相控聚焦阵列换能器的辐射声场声压分布，由图4可以看出，由平面圆片元件组成的中心对称相控聚焦阵换能器能够在中心轴上的焦点处实现相控聚焦。结果显示，本发明的实施例能够在中心轴上实现良好的相控聚焦效果。

以上对本发明的描述不具有限制性，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明权利要求的保护的情况，作出本发明的其它结构变形和实施方式，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种由平面圆片元件组成的中心对称相控聚焦阵换能器，包括基座(1)、外壳(5)、若干个阵元，所述阵元的分布采用中心对称的平面同心圆形式，由若干个平面圆片压电元件(2)排列成圆形，其特征在于：所有平面圆片压电元件(2)上表面与铜网公共电极(3)相接，半径为r的圆上的所有平面圆片压电元件(2)下表面用电激励信号线(6)串接为一路，并由一路电源单独激励，形成一条支路。

2.根据权利要求1所述的由平面圆片元件组成的中心对称相控聚焦阵换能器，其特征在于：所有阵元的辐射端面处在同一平面上，相邻两个阵元的角度相同，且相邻阵元的边缘间隔大于半波长。

3.根据权利要求1所述的由平面圆片元件组成的中心对称相控聚焦阵换能器，其特征在于：所述的基座(1)呈平面形式，围绕基座(1)中心的同心圆上分布若干圆形小孔，圆形小孔内嵌套粘接平面圆片压电元件(2)，支路上所有平面圆片压电元件(2)呈均匀分布，角度间隔相同，多个半径不同的圆上形成多个支路，支路的数量大于等于二路。

4.根据权利要求3所述的由平面圆片元件组成的中心对称相控聚焦阵换能器，其特征在于：所述的基座(1)分为上下两层，上层起到定位作用，下层起支撑作用；在基座(1)的上层中心的同心圆上分布若干圆形小孔，圆形小孔内嵌套粘接平面圆片压电元件(2)，在基座(1)上层的上端覆盖有铜网公共电极(3)，铜网公共电极(3)通过胶粘剂与所有平面圆片压电元件(2)的一段粘接，铜网公共电极(3)上设有辐射匹配层(4)。

5.根据权利要求3或4所述的由平面圆片元件组成的中心对称相控聚焦阵换能器，其特征在于：所述平面圆片压电元件(2)直径、厚度都相同，且直径是厚度的三倍以上，材料采用压电单晶或压电陶瓷。

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