CN102598330A - 用于超声波换能器的多层声阻抗变换器 - Google Patents

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Abstract

一种用于医疗成像超声波换能器的阻抗变换层，其包括一低阻抗聚合物层以及一高阻抗金属层。这些层以相应的厚度进行组合以用于提供将高阻抗率变换到低阻抗率的变换功能，其中，聚合物层位于高阻抗侧，金属层位于低阻抗侧。聚合物层和金属层的组合的有效声阻抗可以与四分之一波长阻抗变换器用同样的方式配置为一阻抗变换器，实现低阻抗到高阻抗(金属到聚合物)或高阻抗到低阻抗(聚合物到金属)的变换。该结构可用于与传播介质前匹配及与超声波换能器的吸收体后匹配。

Description

用于超声波换能器的多层声阻抗变换器
相关申请的交叉引用
本发明要求两项美国专利申请的优先权，其中一项申请序列号为61/238,816的美国临时专利申请，名称为：用于超声波换能器的多层阻抗变换器，申请日期为2009年9月1日，另一项申请序列号为12/836,071，名称为：用于超声波换能器的多层阻抗变换器，申请日期为2010年7月14日，本发明的保护的主题包含在上述申请中。
技术领域
本发明涉及用于超声波的声阻抗变换器以及用于设计该声阻抗变换器的方法。
背景技术
超声波换能器通常作为脉冲模变换器在较宽的频率范围内进行运行。由于该变换器需要处理宽带频率信号，所以宽带设计非常关键。在现有技术中，阻抗变换器被安放在超声波换能器的压电层面上，以用于提高变换器的宽带频率响应。宽带变换器的重要应用之一是医疗成像系统。在医疗成像系统中非常需要一种用于变换器的经济、可靠且可重复地大规模生产的方法。
在现有技术中，用于超声波换能器的阻抗变换器是众所周知的。在现有技术中，总所周知，一个超声波换能器包括压电激活层，一个或多个前匹配层，以及位于压电激活层后面的背衬吸收体，其中前匹配层位于压电激活层前面，可作为阻抗变换器使用。典型的压电材料具有高特性声阻抗，例如，锆钛酸铅(即熟知的“PZT”)。例如PZT的特性声阻抗ZPZT＝30×106kg/m2s(Rayl)。典型传播介质，例如水的声阻抗较低，例如，ZR＝1.5×106Rayl。由于这些介质的特性声阻抗的差异性，在压电激活层和传输介质(在前边界)之间的边界，超声波换能器压电激活层中的声波向后被反射至进电激活层，而在后边界(位于压电激活层后表面和压电激活层后面的材料之间的边界)，超声波换能器压电激活层中的声波向前被反射进压电激活层。这样，在超声波换能器中引起一特定频率的谐振，该频率由压电材料的半波长决定。
当该谐振换能器通过电压脉冲(当作为一个发射器)或声脉冲(当作为一个接收器)被驱动时，信号波不会迅速地衰减(即所谓的响铃现象)。这样实施的变换器不适合成像系统。在成像系统中短声脉冲束被激发，在一方向上进行扫描并被目标反射回来，从而构造出目标的影像。一前阻抗变换层(在现有技术中，被称为用于减少反射的匹配层)被插入到压电层前面和传播介质之间，以用于减轻由于压电材料特性声阻抗和前传播介质的差异产生的谐振。
在向后方向上，即在远离压电层前面的方向上，压电层的振荡会激发出声波。从后边界向前面一定量的反射是被期望的，这样可以提高超声波换能器的敏感性。通常情况下，声波吸收体材料的背衬吸收层依附在压电层后面。当背衬吸收体材料的特性声阻抗能够有效地与压电材料后面匹配时，大量的声能量可以通过后面边界，而不会发生反射，接着这些声波被背衬吸收体所吸收。在这种情况下，换能器的敏感性被降低，使得对于一些应用来说频宽变得过大。因此，在压电材料的特性声阻抗和背衬吸收体材料之间的一些失配是需要的，这取决于需要的频宽和敏感性。
可以对背衬吸收体材料特性声阻抗进行选择以获得期望的超声波换能器性能。当一个换能器未设置有具有合适特性声阻抗的背衬吸收体材料时，背衬阻抗转换层可以被添加到压电激活层和背衬吸收层之间，以用于在压电层后边界提供必需的、全面的声阻抗。
一个典型的声阻抗变换器结构可以是一层均匀厚度，且厚度大约为声换能器期望运行波长的四分之一。声阻抗变换层包括一特性声阻抗(Zm)，该声阻抗约为传播介质特性声阻抗(Z1)和压电激活层特性声阻抗(Zp)的几何平均数。即：Zm＝√(Z1.Zp)。由于Z1比较小(Z1＝ZR＝1.5×106Rayl)，且压电层的特性声阻抗相对较高，因此，匹配层的特性声阻抗Zm被选择在传播介质和压电层阻抗之间，即：Zp＞Zm＞Z1。
传统超声波声阻抗变换层(四分之一波长的层)的问题之一是：难以为前后声阻抗变换层选择一种材料以获得一个适当的特性声阻抗Zm。更具体地，超声波换能器通常需要在宽的带宽上进行运行(例如，中心频率的40-60％)。为了在该宽的带宽上通过使用块状PZT作为压电层以获得满意的性能，可使用一典型声阻抗变换层结构，该变换层结构包括单个前匹配层，该前匹配层包括Zm＝6.7×106kg/m2s(Rayl)的特性声阻抗。
另一已知的提供更宽的带宽的声阻抗变换结构使用双匹配层。在这里，两个四分之一波长层被使用，这两个四分之一波长层分别具有Zm1和Zm2的特性声阻抗。在利用双匹配层的结构中，具有声阻抗Zm1的匹配层与传播介质接触，该传播介质具有声阻抗Z1，具有声阻抗Zm2的匹配层与压电层表面接触。在这里需要对匹配层材料进行选择以满足特定的关系，例如满足Zp＞Zm2＞Zm1＞Z1的关系。尽管如此，当需要满足特定设计的特性声阻抗值时，很难获得合适的材料以用于匹配层。例如，聚酰亚胺具有3.16×106Rayl的特性声阻抗，聚脂具有3.4×106Rayl的特性声阻抗，聚偏氟乙稀(PVDF)具有3.7×106Rayl的特性声阻抗，玻璃具有13.2×106Rayl的特性声阻抗，铝具有17.3×106Rayl的特性声阻抗。除了选择一种用于具有合适特性声阻抗的前匹配层材料外，该材料还需要满足其它标准，例如，加工相容性，大规模生产的容易性，以及材料成本等。在现有技术中，采用了带有高特性声阻抗材料的环氧树脂，其中高特性声阻抗材料可以是玻璃纤维或硅粉。尽管如此，带有高特性声阻抗材料的环氧树脂的厚度和均匀性均难以控制。
在阵列换能器中，传统超声波换能器的设计产生了另一问题，在该换能器中，柔性印刷电路层或电路板被放置在阵列的后面，在柔性印刷电路层或电路板上形成有多个导电体线路。每个导电体线路与阵列的一个元件连接。一个背衬吸收体然后连接到该柔性印刷电路板的后面。该柔性印刷电路的声性能会负面地影响到换能器的性能。一个典型柔性印刷电路板的聚合物层包括大约3.2×106Rayl的特性声阻抗。由于该阻抗太低，使得该柔性印刷电路板难以作为一个合适的匹配层。
当压电层被切成方块以组成具有窄宽度的细长元件阵列时，元件之间的切口或通道由填充材料(例如，环氧树脂)进行填充。这样，压电层的特性声阻抗可以被降低。在利用前述阵列的超声波换能器中，合适的声阻抗变换器的特性不同于适用于具有固体压电激活层的换能器的声阻抗变换器。用于声阻抗变换器的合适材料的选择也取决于带宽和敏感性要求。而使用现有技术对声阻抗变换器的特性声阻抗Zm进行调整被证明是比较困难的。
在没有背衬吸收体的超声波变换器中，或当背衬吸收体为空气或为非常低的特性声阻抗材料时，从后边界的强烈反射会导致换能器以一个相对窄的谐振进行运行，或会使得产生一个较强的谐振峰值。在该超声波换能器中，用于前表面的一适当声阻抗变换器的制造需要高质量的工艺以及定制的材料。当用于压电层前表面的声阻抗变换器被合适地设计和制造时，就可以生产一个宽带、高质量的换能器。尽管如此，由于，至少部分是由于生产这种声阻抗变换器需要高质量技术的熟练技工以及定制的材料，该换能器的大规模生产是难以实现的。
在现有技术中，包括低特性声阻抗层的多层声阻抗变换器概念是熟知的，在该变换器结构中，低特性声阻抗层靠近压电层进行设置，高特性声阻抗层依附在低声阻抗层的外表面。在现有技术中，低特性声阻抗层和高特性声阻抗层都少于四分之一的波长厚度。该组合结构提供了一种有效的、与四分之一波长方案等效的声阻抗变换。美国专利6,772,490描述了具有该组合结构的多层声阻抗变换层。当换能器运行在中心谐振频率上时，为了取得高敏感性，6,772,490专利中多层声阻抗变换器的有效特性声阻抗低于放射或传播介质的特性声阻抗。这种设计适合于在窄带宽(窄带宽通常适合于持续波激发)中心频率上的有效能量传送。当频率发生变化远离中心频率时，该设计的性能急剧下降。该设计不适合将换能器运行在较宽的带宽上，而较宽的带宽对于一些应用是必须的，例如脉冲激发和接收。
作为现有技术的一个示例，Toda在2002年7月IEEE Transactions关于超声波、铁电质以及频率控制卷49，编号为7，第972-979页的“用于空气连接的超声波换能器的新型匹配层”一文中提出了一种换能器阵列。在该文中，描述了在具有宽带性能的换能器压电层前面、用于减少反射的多层声阻抗变换器的基本设计原理。在这里，低特性声阻抗层(由空气形成)被放置在压电层的第一表面，紧接着为与空气传播介质接触的高特性声阻抗层(由聚合物形成)。这些层的每一层都比四分之一波长薄，并且低特性声阻抗层与高特性声阻抗层的结合可以起到四分之一波长阻抗变换器同样的功能。在用水或人体作为传播介质的超声波换能器中，作为脉冲激发和接收的必需条件，传播介质包括较宽的带宽操作，则需要一种可选的材料和方法以用于实现该声波换能器。
发明内容
在本发明实施例中，提供了一种超声波换能器，所述超声波换能器包括一压电元件以及一个前声阻抗变换器，所述压电元件包括一个特性声阻抗，所述前声阻抗变换器与所述压电元件匹配连接在一起。所述前声阻抗变换器包括一个前聚合物层以一个前金属层，所述前聚合物层厚度为tp1以用于与压电元件连接，所述金属层用于在前聚合物层和具有特性声阻抗的传播介质之间传输声能量。前金属层的厚度为tm1，并与前聚合物层匹配连接。所述传播介质的特性声阻抗小于所述压电元件的特性声阻抗，所述前声选择性变换器在压电元件和传播介质特性声阻抗之间包括一个有效特性声阻抗ZC。前聚合物层和传播介质之间的声能量传输可以超声波换能器的形式作为一个发射器、接收器或收发器进行运行。
在本发明实施例中，为了在前金属层和前聚合物层的密度、有效特性声阻抗ZC1、超声波换能器的中心谐振频率以及前聚合物层中声速基础上，提供具有有效特性声阻抗ZC1的阻抗变换器，需要对聚合物层和金属层的厚度进行选择。在本发明的另一实施例中，超声波换能器进一步包括一个与压电元件连接的背衬吸收体，该背衬吸收体具有相应的特性声阻抗。
在本发明的又一实施例中，超声波换能器进一步包括一背衬阻抗变换器，该背衬阻抗变换器插入在背衬吸收体和压电元件之间，其中，多层背衬阻抗变换器具有一个特性声阻抗，该声阻抗位于压电元件和背衬吸收体的特性声阻抗之间。
在本发明的又一实施例中，超声波换能器进一步包括一个四分之一波长匹配层，该匹配层位于传播介质和前声阻抗变换器之间并与之接触。压电层可以包括一个空气背衬，并与带有双匹配结构的设计一起为某些应用提供足够宽的带宽。
这样，在本发明的一方面，具有一个阻抗变换器的换能器阵列可以通过材料层进行补偿，其中，阻抗变换器远远薄于四分之一波长，材料层位于所述变换器低阻抗面(传播介质面)上，且具有相对较高的阻抗(或较高的密度材料)。在该方面，所述材料层可以对退化的变换器性能以及操作进行补偿，以提供或基本恢复其原始阻抗变换功能。高阻抗材料层可以包括一个金属层，该金属层位于厚度减少的变换器层和低阻抗区域之间，其中，变换器层包括一个聚合物层，低阻抗区域可被转换为高阻抗区域。
在这里还提出了一种用于医学成像超声波换能器的阻抗变换层，包括一低阻抗聚合物层以及一高阻抗金属层。这两层分别具有相应的厚度以用于提供一个转换功能，实现从特定的高阻抗到特定的低阻抗之间的转换，其中，聚合物层位于高阻抗面，金属层位于低阻抗面。采用与四分之一波长阻抗变换器一样的方式，聚合物层和金属层的有效声阻抗可以用于构造一个阻抗变换器，实现从低阻抗到高阻抗(金属到聚合物)的转换或从高阻抗到低阻抗(聚合物到金属)的转换。这种结构可用于超声波换能器中与传播介质的前匹配以及与吸收体的后匹配。
附图说明
以下参考附图和本发明的较佳实施例的具体描述有助于更进一步理解本发明，其中
图1A示出了本发明实施例中用于超声波换能器的一个金属聚合多层阻抗变换器；
图1B示出了用于图1A中金属聚合多层阻抗变换器的质点-弹簧模型；
图2示出了现有技术中ZR＝1.5MRayl的、负载为水的四分之一波长匹配层的阻抗性能；
图3示出了本发明实施例用于6.8MHz频率的聚酰亚胺/铜多层阻抗变换器的阻抗性能；
图4示出了本发明实施例中带有聚合物-金属多层阻抗变换器的超声波换能器；
图5示出了本发明实施例中具有多层阻抗变换器以及一背衬吸收层的超声波换能器的一个实施例，所述多层阻抗变换器位于压电层前表面上；
图6示出了本发明实施例中图4中的超声波换能器的模拟性能；
图7A示出了本发明实施例中包括本发明阻抗变换器的超声波换能器截面图；
图7B示出了本发明另一实施例中超声波换能器截面图，所述超声波换能器包括双匹配层或阻抗变换层；
图8示出了图7A中超声波换能器在短暂的脉冲激励后随着运行时间输出波形的实验观测值；以及
图9示出了对图8中输出波型进行傅立叶变换得到的频率响应曲线。
具体实施方式
以下开始结合附图中的示例对本发明进行描述。附图中所有相同或相似部分的引用数字都相同。应注意，为了便于本发明的理解，本发明的附图以及描述简要地阐述了本发明相关的元件，并删除了在传统超声波换能器中可以看到的一些元件。由于这些元件在现有技术中是常用元件，并且不能对本发明的理解带来好处，所以在本发明实施例没有对它们进行讨论，而将重点放在本发明的所有变化和修改上。
在超声波换能器的现有技术中，低特性阻抗材料层被设置在压电元件和传播介质之间，该低特性阻抗材料层具有换能器中心频率四分之一波长的厚度。作为示例地，用于空气超声波换能器的低特性阻抗材料包括气凝胶和泡沫塑料。对于成像换能器，如这些应用在医学应用的换能器，这些低特性阻抗材料包括特别纯的聚合物，和/或加载有粉末的聚合物，和/或纤维。作为一个匹配层或阻抗变换器，低特性阻抗材料层的使用，在声信号传输过程中提高了电能转换到声能量的转换效率，同时，相对于没有匹配层的超声波换能器，阻止或减少了不必要的相移。尽管如此，该匹配层也有一些缺点，包括对于一些应用来说其厚度太厚。另外，当匹配层的厚度偏离四分之一声波波长时，转换率会减少，从而会产生明显的相移。通常情况下在换能器中匹配层是不必需的，而宽带或宽带性能(例如，声波波长宽带上的一致性能)是必需的。例如，通常应用在医学超声波成像中的脉冲激励以及接收需要好的宽带性能。另外，当合适的材料不再是单相的，将会发生声能的散射，从而会导致非期望的损耗。进一步地，也很难制造出合适的材料以获得特定期望的特性声阻抗，使得难以实现应用在一些特定应用的该换能器的大规模生产。
在本发明实施例中，强调了现有技术中换能器的至少一些缺点，在该实施例中，换能器包括一个压电元件和一个放置在所述压电元件上的聚合物层。在聚合物层上安置一个金属层。聚合物层和金属层一起构成了阻抗变换器。同时，需要对聚合物层和金属层的厚度进行选择从而向阻抗变换器提供一个有效的特性声阻抗，该特性声阻抗介于压电元件和传播介质的特性声阻抗之间。这样的有益效果在于：通过对金属和聚合物层厚度的选择，有效特性声阻抗的范围是可用的。该阻抗变换器的厚度可以被配置成远少于声信号的目标频率波长的四分之一。
根据本发明的一方面，在阻抗变换器远薄于四分之一波长的情况下，可通过附加材料层的方式进行补偿，所述附加材料层在变换器低阻抗面(传播介质面)具有一相应的高阻抗(或高密度材料)。在这种情况中，附加层可用于补偿降低的变换器性能和用途，从而充分地提供(或恢复)原始阻抗转换的功能。高阻抗层(例如，金属层)被设置在厚度减少的变换器层(例如，聚合物层)和低阻抗区域之间，其中，所述低阻抗区域容易被转换为高阻抗。
在预设的换能器中心谐振频率和材料参数的基础上，金属层和聚合物层的厚度比例可以被确定。通过调整两层的厚度以薄于每个材料中的四分之一波长，以及确定两层之间的厚度比例，本发明的方法和装置提供了四分之一波长阻抗变换器的功能。进一步地，通过对每一层厚度比例的选择和每一次相应的组件材料的选择，本发明可以获得任意的变换比率。
进一步地，通过结合具有高、低阻抗(例如金属层和聚合物层)的传统可用材料层，任意有效的声阻抗Zm可以被合成，其声阻抗可以起到具有声阻抗Zm的四分之一波长阻抗变换器一样的功能。这样，本发明的方法和装置减轻了传统四分之一波长设计中获得声阻抗Zm特定值所带来的问题。
有利地，具有期望特性声阻抗的阻抗变换器可以从商业可用金属和聚合材料容易地获得，从而便于阻抗变换器的大规模生产，相对于现有技术中的匹配层，可以降低生产成本。在围绕中心谐振频率的宽带范围上可以获得良好的性能，这样，本发明中包括阻抗变换器的换能器非常合适于一些要求良好宽带性能的应用程序，例如，医学成像应用。
参考图1A-1B，其中示意性地示出了具有多声阻抗变换器120的超声波换能器100。换能器100包括压电本体或压电元件110，该压电元件110具有高特性声阻抗ZP(例如，20-30×106kg/m2s或MRayl)。多层声阻抗变换器120包括一聚合物层130以及一金属层140，聚合物层130具有一预设厚度tp，金属层140具有一预设厚度tm。在本发明实施例中，层130，140分别可以具有相同的厚度tp和tm。在其它构造中，层130，140的厚度可以分别为不同的厚度tp和tm。组合在一起的聚合物层130以及金属层140的有效或等效特性声阻抗ZC可以提供与声阻抗变换器120适当的功能。在本发明的一个示例性实施例中，聚合物层130包括两个平行面：第一表面132以及第二表面134。金属层140包括两个相对的平行表面：第一表面142和第二表面144。在本发明的一个示例性实施例中，金属层140可以为铜、黄铜、铝、钢或其它合适的金属。聚合物层130的第一表面132粘结或其它方式连接到超声波换能器100的压电本体或元件110上。金属层140的第一表面142粘结到或其它方式(例如，通过将金属电镀到聚合物上或通过非电镀覆盖方式)连接到聚合物层130的第二表面134上。金属层140的第二表面144可以与传播介质150接触(例如，水或动物的生物组织，如人体)，该传播介质150具有低特性声阻抗ZR(例如，1.5MRayl)。可以理解，金属层140可以包括一个薄材料涂层，例如，油漆涂层，该材料涂层对变换器120的有效特性声阻抗的影响几乎可以忽略，该材料涂层位于金属层140和传播介质150之间。该薄层也可以认为是与传播介质150接触的金属层140。金属层140可用于穿过聚合物层130在传播介质150和压电元件110之间传送超声波能量。这些层130、140在表面134，142可直接相互接触，或通过两者之间的一薄粘接层进行接触连接。薄粘接层对声阻抗变换器120的有效声阻抗的影响不是很明显(也就是可忽略的影响)。
仍参考图1A，从压电元件110发出的超声波160正常地传播到聚合物层130表面，从压电元件110朝向金属层140并进入传播介质150。
在这里需要分别对金属层和聚合物层140，130的厚度tm和tp进行选择，这样，阻抗变换器120的有效特性声阻抗ZC就会落入传播介质150的特性声阻抗(即ZR)和激活的压电元件110的特性声阻抗(即ZP)之间。
图1B示出了从聚合物层130向金属层140看，用于计算声波阻抗或声阻抗变换器120的声阻抗率Z2的质点-弹簧模型。质点170表示金属层140，弹簧180表示聚合物层130。弹簧180包括一端点190。以下计算和情况以示例的形式描述了通过聚合物层和金属层如何实现阻抗的变换。真实值没有被限制为这里所描述的精确值，而是可以基于特定应用的实际需要。例如，某些应用也许不需要一个很宽的带宽，而在其他应用中，带宽设计和敏感性随着每个部分(例如，前部和后部)的累积效果取得，而不会满足下述的标准。在任意情况下，为了计算声阻抗率Z2，质点170的质量M为：
M＝ρmtm每单位区域(1)
其中ρm为金属层140的密度，tm为金属层140的厚度。类似地，弹簧180的弹簧系统K为：
K＝c33/tp＝ρpVp 2/tp    (2)
其中，c33为厚度tp方向上的刚度常数，tp为聚合物层130的厚度，ρp为聚合物层130的密度，Vp为聚合物层130中的声速。公式(2)利用了已知关系式Vp＝√(c33/ρp)。
在上述模型中，聚合物层130的质量被忽略。尽管如此，接近金属层140的聚合物层130一部分会随着金属层140进行移动，这样至少聚合物层130一部分质点会影响金属层140的质点。因此，当金属层140比聚合物层130薄时，质点170的质量可以近似地计算为：
M＝ρmtm+0.4(ρptp)    (3)
在现有技术中众所周知，阻抗变换器120的谐振频率f0为：
f 0 = 1 2 π K M - - - ( 4 )
如下面所述，弹簧180的端点190的声阻抗在谐振情况下是最大的。当受到超声波160(见图1A)的影响时，端点190移动到图1B中的左边，即朝向质点170，而弹簧180在给定的起始时间会产生一个力以将质点170推向左边。紧接着，质点170开始移动并移动至左边。由于质点170的移动落后弹簧180端点190移动的四分之一个周期，并且弹簧振荡的振幅在谐振频率处最大，因此，在谐振频率的四分之一周期后，质点170移动至最大位置。在开始后的四分之一周期后，弹簧180伸长至最大长度，弹力也是最大的。此时，端点190返回至其原始位置，端点190的振动速度在一个周期内达到最大值，而质点170移动至左边，从而对弹簧180施加压力。
如现有技术所述，阻抗变换器120的声阻抗Z2是通过端点190上的力确定的，在那个时候，端点190上的力是由振荡速度划分的。由于位于一个谐振频率时，端点190上的力为最大值，因此，声阻抗Z2位于该谐振频率时变为一个最大值。在理想模型中，不会存在弹力损失，在谐振频率时声阻抗Z2接近无限大，且谐振强烈。尽管如此，辐射或传播介质阻抗Z1与质点170连在一起，其效果相当于一个电阻性负载。因此，传播介质阻抗Z1可以使谐振衰减。这样，谐振被扩展。通过在质量M时对带有辐射或传播阻抗Z1的质点170和弹簧180的分析，从端点190处考虑可确定在谐振频率f0时声阻抗或波阻抗Z2：
Z2＝MK/Z1    (5)
其中，Z1＝ZR＝ρ1V1，为传播介质150(例如，大约为1.5MRayl)的特性声阻抗。ρ1为传播介质150的密度，V1为传播介质150的声速。
这样，通过使用实际参数Z1＝ZR和M(即，金属层140每单位区域的质量)以及K(即，由于聚合物层130而引起的移位所划分的每单位区域的弹力)，变换器120的声阻抗Z2远远高于辐射或传播阻抗ZR。包括薄聚合物层和金属层的声阻抗变换器120与现有已知的、与传播介质150接触的具有四分之一波长相应厚度的匹配层具有相同的功能。在传统四分之一波长匹配层情况中，从后侧来看，四分之一波长层的波阻抗被转换为：
Z2＝Zm 2/Z1    (6)
其中，Zm为四分之一波长匹配层的特性声阻抗。在现有技术中，该四分之一波长匹配层被粘接到超声波换能器的压电层(其特性声阻抗为ZPZT＝30MRayl)前表面上。阻抗Z2为从压电层看的波长或声阻抗。这样，传播介质声阻抗Z1被向上转换为接近ZPZT的Z2。
在现有技术中，对于具有高特性声阻抗ZPZT的压电材料，变换器120的声阻抗Z2必须非常接近ZPZT，以在压电材料和阻抗变换器120之间实现有效的能量传送，其中，Z1＝ZR(即传播介质150的声阻抗)。在理想的匹配情况下，如果Z2＝ZPZT，Zm必须等于√(ZPZTZR)。然而，在实际情况中，该变换器120的声阻抗Z2的数值不需要与激活的压电材料的特性声阻抗ZPZT的数值相同。在示例性实施例中，变换器120的具体声阻抗Z2与压电元件110的特性声阻抗ZPZT值区别并不是很大，且一般情况下关系式Z1＜Zm＜ZPZT为真实的。传统情况下，将Zm的值选择在Z1和ZPZT之间，具体决定于特定应用的设计要求。
仍参考图1A和图1B，金属层140的厚度tm和聚合物层130的厚度tp可以按以下方法计算获得。对前述等式(4)：
f 0 = 1 2 π K M
分别在等式(4)中插入等式(2)和等式(1)中的K和M值，从而：
f 0 = Vp 2 π ρ p ρ m t m t p - - - ( 7 )
进一步地，根据等式(6)，可知：
ZC 2＝Z1.Z2    (8)
以及从等式(5)可得：
Z1.Z2＝MK    (9)
从而，根据等式(8)和等式(9)可以得：
ZC＝√(MK)    (10)
该等式意味着值ZC可以通过选择具有一定厚度的材料来确定，其厚度决定于M和K确定的值。值ZC可以称为声阻抗变换器120的有效特性声阻抗，且ZC为多层阻抗变换器的有效特性声阻抗提供了选择。虽然本发明提供的该结构与前述情况中的结构截然不同，然而阻抗变换的效果还是一样的。阻抗Z1被转换为Z2，并且多层变换器结构具有有效声阻抗ZC以作为Zm。当变换率Z2/Z1在两种情况下相同，则ZC与Zm相对应，因此，他们在功能上是等效的。
将等式(1)和(2)中对应的值M和K分别插入等式(10)，可以获得：
ZC＝Vp.√(ρm.ρp.tm/tp)    (11)
等式(7)和(11)可以按照下述方式求解tm和tp：
首先根据等式(7)求解Vp，接着将Vp的值代入等式(11)，从而可以确定tm的值：
tm＝ZC/(ρm2πfo)    (12)
金属层140的厚度tm与阻抗变换器120的期望有效特性声阻抗ZC成线性关系，并与金属层140的金属密度以及换能器100的中心谐振频率成反比。
等式(7)和(11)可以通过消除项ρmtm进行求解，ρmtm的消除可以通过对公式(7)和(11)的左边项进行乘积运算以获得f0ZC以及通过对这两个等式的右边项进行乘积运算以获得Vp2ρp/tp。从左右两边获得的乘积可以得到：
tp＝Vp 2ρp/(2πfoZC)    (13)
其中，聚合物层130的厚度tp与换能器100的中心谐振频率fo和阻抗变换器120的期望有效特性声阻抗ZC成反正，并聚合物层130的聚合物密度成线性关系。聚合物层130的厚度tp进一步与聚合物层130中声速的平方成正比。这样，对于设定的应用，根据给定的或要求的ZC以及给定的中心谐振频率fo，金属层的厚度tm和聚合物层130的厚度tp可以通过等式(12)和(13)计算得到。厚度tm和tp都与换能器100的中心谐振频率fo线性相关。金属层140的厚度tm和聚合物层130的厚度tp的比例可以表示如下：
tm/tp＝ZC 2/(ρm Vp 2.ρp)    (14)
相应地，两者厚度的比例独立于换能器100的中心谐振频率fo。厚度tm和厚度tp的比例随着阻抗变换器120的期望有效特性声阻抗ZC的平方的增加而增加。通过等式(12)和(13)计算得到的厚度tm和厚度tp可以作为声阻抗变换器120设计的出发点，在此时改变两者的厚度也应属于本发明的思想。厚度tm和厚度tp可以根据选择材料的标准厚度的工业效用进行改变。对于从等式(12)和(13)获得的厚度tm和厚度tp的这些改变属于本发明的范围。
进一步地，即使厚度tm和tp不满足等式(12)和(13)，声阻抗变换器也可以较好地执行。超声波换能器的期望的综合性能可以通过非理想的前声阻抗变换器和非理想的后阻抗变换器来实现，这两个变换器可以偏离由本发明方法中描述的公式确定的值。尽管如此，由前、后匹配层导致的相移可以通过对前匹配层使用比中心谐振频率高的谐振频率以及对后匹配层使用比中心谐振频率低的谐振频率来进行消除。在另一个示例中，超声波换能器没有后匹配层(即，带有空气背衬)，该换能器可以使用双前声阻抗变换器，以提供一个结构，从而向给定的应用提供带有足够宽的带宽。在该换能器中，每个单个声变换器都可以偏离理想值。然而，由于两个声阻抗变换器结构的消除效果，具体地，声阻抗变换器中的一个被配置用于比超声波换能器100高的谐振频率，而另一个用于比超声波换能器100低的谐振频率，从而使得有效的组合后的特性声阻抗可以提供令人满意的综合性能。
图2示出了图表200，图表200描述了现有技术中，通过使用一维波传播模型(即未使用质点和弹簧模型)获得的声阻抗率Z2的计算结果，以用于四分之一波长匹配层的波阻抗率或声阻抗率Z2。对于匹配层，其特性声阻抗具有一理想值Zm＝6.7×106Rayl，对于加载在超声波换能器的四分之一波长匹配阻抗层前侧面的传播介质，也具有一理想值ZR＝1.5×106Rayl。从四分之一波长匹配层的后面来看，波阻抗210在6.8MHz处获得了一个声阻抗率值峰值Z2＝30×106Rayl，该峰值等于压电材料的特性声阻抗ZPZT。尽管如此，如前所述，要获得一种具有期望的特性声阻抗Zm＝6.7×106Rayl的理想值材料，以用于制作超声波换能器的四分之一波长匹配层是很困难的。
参考图3，图表300示出了从聚合物层130到传播介质150看图1A中多层阻抗变换器120的具体特性声阻抗Z2，Z2是通过如用于图2中使用的相同严格的一维波传播模型计算得到的。在示例性构造中，聚合物层130以密度ρp＝1454kg/m3的聚酰亚胺层、声速Vp＝2175m/s以及厚度tp＝20μm(大约为波长的1/16)的形式进行表示。在该实施例中，金属层140以密度ρm＝8960kg/m3的铜层、Vm＝5010m/s的声速以及tm＝19.7μm(大约为波长的1/37)的厚度的形式进行表示。阻抗变换器120的这种构造可以在6.8MHz时获得Z2＝30MRayl的峰值。该峰值可以较好地与块状PZT的特性声阻抗ZPZT匹配，典型的块状PZT的ZPZT＝30MRayl。在此进一步注意的是，在6.8MHz时，聚酰亚胺层130中四分之一波长为80μm，铜层为184μm，因此，作为目前设计中的20μm是远薄于压电激活材料中心谐振频率时的四分之一波长的。在不同频率时，对于相同的材料可以通过使用厚度与波长的相同比率来获得相同的阻抗变换率设计。
图3中出示的(来自图1A的)阻抗变换器120的阻抗曲线310与图2中曲线210表示的理想阻抗性能的阻抗曲线非常接近。这样，对聚合物层130和金属层140的厚度和材料参数进行合适的选择就可以获得一个等效特性声阻抗的任意值。应注意，聚合物层130和金属层140的厚度会远薄于相同材料的四分之一波长匹配层。
参考图4，在本发明的一个实施例中，一个超声波换能器400被示意性地构造以在高频率(即，在MHz区域内)下运行。换能器400包括一个压电元件110，该压电元件包括一个前声阻抗变换器120，变换器120在边界平面112被粘结在压电元件110上。在边界面114处背衬吸收体410被粘结在压电元件110上。阻抗变换器120可以通过使用粘结剂被粘结在压电元件110上，例如，环氧树脂。边界面114与边界面112相对。这样，在与压电元件110表面相对的一个面上，背衬吸收体410被连接在压电元件110，而压电元件110表面则连接在前阻抗变换器120上。前声阻抗变换器120与传播介质150接触。应注意，前声阻抗变换器120可以通过一薄的插入层与传播介质150接触，该插入层可以为印刷涂层，该插入层对变换器120的有效特性声阻抗的影响可忽略。
一般情况下，压电元件110(例如，一个压电陶瓷层)具有一个高特性声阻抗Z1(大约为20-30MRayl，并决定于结构和材料，例如，ZPZT大约为30MRayl)，传播介质150具有一相对较低的特性声阻抗ZR(例如，大约为1.5MRayl)。声阻抗变换器120包括一个厚度为tp的聚合物层130以及一个粘接在聚合物层130上、厚度为tm的金属层140。金属层140和聚合物层130的厚度tm和tp是在声阻抗变换器120的期望或预设的等效或有效特性声阻抗ZC的基础上进行选择的。由有效特性声阻抗ZC确定的声阻抗率Z2的理想值可以通过图3所示的方式获得。这样，相对于现有技术中的系统和方法，本发明实施例可以更加容易和低成本地构造一个宽带换能器。
一般情况下，压电元件110的振动会激发声波朝传播介质150向前传播(至图4左边)，朝向背衬吸收体410向后传播(至图4右边)。向右传播的声波传播的部分能量被传送至背衬吸收体410，剩余的则在压电元件110和背衬吸收体410之间的后边界414处被反射。一定数量的反射对于提高换能器400的敏感性是有益的，可用于驱动和接收超声波。在后边界414处的反射是背衬吸收体410特性声阻抗的一个功能。如果背衬吸收体410吸收的声波不是足够多，从背衬吸收体410端面412反射回的超声波可以被反射回压电元件110，从而可以与朝向传播介质150的前波传播叠加。不利地，依赖于频率，超声波可以被有损地或无损地添加，并且在换能器400的频率谐振曲线上可以形成多个谐振峰值。由于背衬吸收体410吸收材料的过低声吸收而导致另一问题是：背衬吸收体410的厚度不得不被增加以用于吸收几乎所有向后传播的声波以及阻止来从端面412的反射。如果背衬吸收体410的厚度太过厚，则换能器400以及其背衬吸收体可能会不符合换能器固定件或换能器壳体的限定条件，换能器400以及其背衬吸收体尺寸会受到换能器400应用的限制。
图5描述了本发明另一实施例中包括背阻抗变换器560的超声波换能器500，其中，后阻抗变换器560用于背衬吸收体410。一般情况下，特性声阻抗(MRayl)以及声吸收(分贝/厘米或dB/cm)相关性非常强，且不能被独立地控制。能够进行高声波吸收的材料通常具有低特性声阻抗。根据材料激活的压电层的结构，背衬吸收体410的期望特性声阻抗可以改变。用于背衬吸收体的具有不同期望特性声阻抗的激活压电层示例包括块状PZT，2-2复合晶体、1-3复合晶体以及单晶体。
如图5所示的分解图，换能器500包括一个PZT/聚合物2-2连接组合阵列520、一个前声阻抗变换器120、一个带有导电线路530(例如，铜导线)的柔性印刷电路板540、一个屏蔽导电层550(例如，铜层)以及一个背衬衬吸收体410，其中，前声阻抗变换器120通过接地层510连接(例如，粘接)在阵列520的前表面526上。背衬吸收体410通过导电屏蔽层550、柔性电路板540以及导电线路530，被连接(例如，粘接)在阵列520的后表面528上。柔性印刷电路板540用于为电信号提供通路，并起到后声阻抗变换器560的作用，其中，变换器560为包括柔性印刷电路板540的聚合物和金属屏蔽导电层550的金属，以用于将背衬吸收体410的低特性声阻抗向上转换。组合阵列520包括带有切口或通道522(例如，大约50μm宽的切口或通道)的PZT的多个窄的细长元件524(例如，大约10mm(毫米)×0.1mm)，其中切口或通道522使用聚合材料进行填充，例如，环氧树脂。组合阵列520中每个压电元件524可以通过具有不同引导光束方向的不同信号进行驱动。沿着柔性印刷电路板540的第一表面542，组合阵列520的后部电极(未示出)连接在柔性印刷电路板540的导电线路530上。柔性印刷电路板540沿着与第一表面542相对的第二表面544连接在后声阻抗变换器560上，其中，变换器560与背衬吸收体410接触。由于压电元件524的宽度窄，压电元件524的特性声阻抗ZPZT可以低至15MRayl。在该实施例中，声阻抗变换器120包括作为前层的、厚度为tm＝15μm的金属层以及位于金属层之上厚度为tp＝40μm的聚合物层130。该示例性的金属聚合物多层声阻抗变换器120在5.2MHz时可以获得声阻抗率Z2，Z2＝15MRayl，该Z2可以与2-2PZT/聚合物组合阵列520的ZPZT相匹配。
在图5的实施例中，声阻抗变换器120的聚合物层130可以为聚酰亚胺材料，金属层140可以采用铜材料。在实施过程中，可以对铜层140进行选择，从而实现传播介质150(ZR)的低特性声阻抗到PZT/聚合物组合阵列520的高特性声阻抗ZPZT的合适声阻抗变换。第二铜层510插在声阻抗变换器120和PZT/聚合物组合阵列520之间以用于接地。尽管如此，由于层510具有类似于压电元件524的特性声阻抗，且层510直接粘接在压电元件524上作为接地电极，因此，铜层510并不能起到声阻抗变换器的作用。这样，铜层510的出现并不会影响组合或多层声阻抗变换器120的设计。应当理解，为了描述本发明实施例，图中独立地(即，未粘接或未通过其它方式连接)示出了PZT组合阵列520、前匹配或声阻抗变换器120以及后声阻抗变换器560各部分。
为了向背衬吸收体410提供合适的声阻抗变换，图5中的后声阻抗变换器560可以设置在压电阵列520和背衬吸收体410之间。一般情况下，背衬吸收体410的特性声阻抗大约为4-10MRayl，大于前传播介质150的特性声阻抗，例如，前传播介质150的特性声阻抗大约为1.5MRayl。后声阻抗变换器560的期望有效声阻抗ZC可以被选择以与换能器500期望的带宽和敏感性一致。例如，当背衬吸收体410的特性声阻抗为5MRayl，必需的背衬声阻抗率为10MRayl时，则背衬声阻抗变换器的期望有效声阻抗ZC(＝√(MK)＝√(Z1.Z2))为7.07MRayl。后声阻抗变换器560的该有效特性声阻抗值可以通过使用厚度tm＝24μm的金属(例如，铜)层550以及厚度tp＝29μm的聚合物层(例如，聚酰亚胺)来获得，以用于具有5.2MHz中心谐振频率的换能器。金属层550和聚合物层540的材料和厚度tm，tp可以按照几乎与用于前声阻抗变换器120中的方式一样进行合适地选择，其中，金属层550和聚合物层540组成位于激活压电元件524和背衬吸收体410之间的后声阻抗变换器560，变换器120位于激活压电阵列520和前传播介质150之间。后声阻抗变换器560将背衬吸收体410的低特性声阻抗Z1转换为高声阻抗率Z2，Z2为从激活压电阵列520到背衬吸收体410内部看的波阻抗或阻抗率。声阻抗率Z2的合适值由换能器500的期望带宽以及敏感性确定。背衬声阻抗变换器560的有效特性声阻抗期望值ZC可以通过使用等式ZC＝Z2和Z1乘积的平方根(即ZC＝√(Z2×Z1))。在后声阻抗变换器560的期望有效特性声阻抗ZC、金属层140的金属密度以及换能器500中心谐振频率fo的基础上，可以确定金属层550的厚度tm。在后声阻抗变换器560的期望有效特性声阻抗ZC、聚合物层540的聚合物密度、聚合物层540的聚合物中的声速以及换能器500中心谐振频率fo的基础上，可以计算出聚合物层540的厚度tp。
表1列出了用于示例性传播介质(水)的材料参数、示例性压电激活材料(PZT)、示例性金属(铜)、聚酰亚胺以及聚偏二氟乙烯(PVDF)。由现有技术可知，一种材料的特性声阻抗是由材料的密度和材料中声速的乘积确定的。
表1用于图II中不同示例设计的材料参数
Figure BDA0000158283900000171
表II比较了具体声阻抗率Z2的两个计算值，一个是通过使用质点-弹簧模型计算而得，另一个是通过用于ZP的低值、高值(15和30MRayl)的严格一维模型计算而得。其中，使用了用于传播介质Z1＝1.5MRayl的特性声阻抗值。从表II可以看出，使用质点-弹簧模型计算得到的具体声阻抗率Z2非常接近实际值。
表II与压电层低(～15MRayl)高(～30MRayl)特性声阻抗匹配的声阻抗变换器示例，所述变换器还带有特性声阻抗ZR＝1.5MRayl的传播介质，例如，水或人体组织。
Figure BDA0000158283900000181
从表II可以看出，当材料和期望声阻抗率被选择后，一般情况下，对于给定的频率，聚合物层130与金属层140厚度的比值为一个常数。例如，对于铜和聚酰亚胺，当选定Z2＝30MRayl后，则当f0＝2.6MHz，5.2MHz以及10.4MHz时铜/聚酰亚胺厚度的比值1，与前述等式(14)一致。当非聚酰亚胺的聚合物被使用时，密度和声速可能不同于聚酰亚胺，这样，从等式(14)也可以看出，厚度比率也会不同。
图6描述了信号强度的图表600。图表600被描绘成压强，该压强为关于频率(Hz)的函数，以在一维模型(或可产生相同结构的Mason模型和KLM模型中任意一个)中用于在传送模式中模拟换能器。背衬吸收体410(如图4或5所示)具有4.5MRayl的一个低特性声阻抗。压电元件110(如图4所示)具有30MRayl的一个高特性声阻抗，声阻抗变换器120包括33μm厚的聚酰亚胺聚合物层130以及如图6所示的具有不同厚度的铜金属层140。谐振频率为f0
Figure BDA0000158283900000183
5.2MHz，PZT的厚度为350μm。曲线610，620，630以及640分别表示铜金属层140厚度为0μm，10μm，20μm以及30μm的信号强度。根据前述方法的描述，一个独立计算显示出，33μm的聚酰亚胺聚合物层130以及20μm的铜金属层140的组合可以获得一个有效的特性声阻抗ZC＝6.1MRayl以及前传播介质的有效特性声阻抗1.5MRayl，并在PZT层前表面被转换为一个25MRayl的声阻抗率，该声阻抗率稍微低于PZT的特性阻抗。尽管如此，PZT层前表面处的该稍微低的阻抗是有益的，可使得本实施例可以获得高敏感性和较宽的带宽。例如，图6描述了厚度为20μm的铜对应的曲线630，厚度为20μm的铜具有高敏感性、宽带以及对称的频率响应，并具有5.2MHz的中心频率。厚度为20μm的铜金属层140和厚度为33μm的聚酰亚胺聚合物层130的结构对应于一个假想的材料，该假想材料具有带有四分之一波长厚度以及Zm＝6.1MRayl的特性声阻抗。如果改变该设计以用于获取一个不同的中心频率fo，PZT厚度也会不同，并与频率fo成反比。对于不同中心谐振频率fo，厚度tm以及tp也会不同。对于这种不同频率的设计，从表II中可以看出，tm/λ和tp/λ的值仍然可以保持为一个常数。
图6描述了(图4中)超声波换能器400作为一个传送体声波输出的模拟。相同多层声阻抗变换结构120可以作为一接收器以用于超声波换能器。一般情况下，对于一个声波设备，互惠原则认为换能器的给定结构应该与一个传送体的接收器一样具有相同的带宽。因此，有益地，在这里描述的多层声阻抗变换器120可以被应用到医疗超声波成像系统。例如，(图4中)换能器400以短脉冲传送声束至人体，然后被目标材料所反射，例如目标材料可以为人体器官。反射回的声束被扫描时，人体的反射被相同(图4中)的换能器400接收并被分析后，从而构造出人体器官的影像，例如，将影像显示在显示设备上。为了达到这个目标，(图4中)换能器400被作为发射器和接收器使用，在这里描述的声阻抗变换器的使用提供了良好的宽带性能。(图4中)金属层140可用于传送超声波能量，该超声波能量穿过(图4中)聚合物层130从(图4中)压电元件110到(图4中)传播介质150。(图4中)金属层140也用于传送/接收超声波能量，该超声波能量穿过(图4中)聚合物层130从(图4中)传播介质150中的目标材料反射到(图4中)压电元件110。
参考图7A，描述了本发明中包括声阻抗变换器120的换能器700的另一实施例。超声波换能器700包括使用合适材料的激活压电元件110，例如，PZT材料。激活压电元件110包括前、后两平行平面，背衬吸收体747可以通过任何低特性声阻抗材料形成，例如，空气、水或一吸收材料。当声阻抗变换器120如这里描述的一样被适当地设计时，就可以获得良好的宽带频率响应。前传播介质150可以是水或人体。声阻抗变换器120具有一粘接在激活压电层110前表面上的聚合物层130，以及粘接在聚合物层130上的金属层140。在一个示例性实施例中，层130和140分别具有均匀厚度tp，tm，这些层可以具有已描述的阻抗变换器一样的功能。为了在压电材料和传播介质声阻抗之间获得一个有效声阻抗，需要构造这样的聚合物层和金属层。多层阻抗变换器120的等效或有效特性声阻抗为ZC2，该中间特性声阻抗ZC2＜ZPZT。匹配层710可以为一个面向传播介质150的聚合物层，该聚合物层的厚度为四分之一波长，并具有声阻抗Zm1，该声阻抗Zm1绑定在声阻抗变换器120的前表面。通过对四分之一波长匹配层710以及声阻抗变换器120的特性声阻抗进行选择，可以使之满足Z1＜Zm1＜ZC2＜ZPZT。
图7B示出了本发明另一实施例，其中，第一和第二组多层声阻抗变换器120和743分别被构造为双匹配层，以用于换能器800。根据这里描述的多层声阻抗变换器120的结构，外部声阻抗变换器743被构造。一个低特性声阻抗层744(例如，橡胶或乳胶层)被粘接到内声阻抗变换器120的金属层140，一个高特性声阻抗层745(例如，金属、聚合或塑胶层)被采用以与传播介质150接触。外部多层声阻抗变换器743可以起到图7A中四分之一波长匹配层710的作用。等效特性声阻抗ZC1以及ZC2也被选择以满足关系式Z1＜ZC1＜ZC2＜ZPZT。内部声阻抗变换器120包括一绑定在压电元件110上的聚合内层130以及粘接在聚合内层130上的外部金属层140。
在现有技术中，利用空气作为背衬吸收体的超声波换能器使用了双匹配层。直接安置在PZT元件上的第一层为四分之一波长匹配层材料，该材料具有高特性声阻抗，该声阻抗低于PZT的声阻抗。第二层放置在第一层和传播介质(例如，水)之间。在现有技术中空气背衬换能器的第一层高特性声阻抗材料包括一玻璃(或复合材料)薄层。例如，用于具有2.6MHz中心运行频率的该层必需的厚度为0.52mm，用于具有5.4MHz中心运行频率的该层必需的厚度为0.26mm。尽管如此，椐证明，该材料薄层很难在大规模生产系统中进行制造。在这里，可以使用双匹配层装置以及方法获得期望的宽带性能，以用于大规模生产制造。
图7A中描述了本发明实施例的实验测试，其中，压电元件110使用了0.85mm厚的均匀PZT板，该板具有2.6MHz的中心运行频率。聚合物层130包括一个33μm的PVDF层。金属层140包括一个77μm的黄铜层。对于该应用，黄铜的声属性与铜的属性非常相似。匹配层710为220μm的聚酰亚胺层。这些层通过低粘性、可忽略的薄环氧树脂层粘接在一起。
图8描述了图7A中换能器700的运行结果。当图7A中换能器700通过强脉冲驱动时，观测到的波形810如图8中的图表800所示。图8中波形810的傅里叶变换频谱910的频率性能如图9中的图表900所示。从图8中可以看到，强脉冲波形810被获得。由图9中曲线910可以看出，获得了宽的频率性能(大约为56％为相对带宽)。
如前所述，在本发明中实施例中，声阻抗变换器120的聚合物层130和金属层140的厚度tp和tm可以根据等式(12)和(13)确定的值进行变化。在一个常数中心谐振频率处，聚合物层130的厚度tp从等式(13)获得的理论值开始增加，相应地，金属层140的厚度tm从等式(12)获得的理论值开始减少。当金属层140的厚度tm达到零时，聚合物层130的厚度tp达到传统四分之一波长匹配层的厚度。这样，随着聚合物层130的厚度tp从四分之一波长匹配层的厚度开始减少时，由于薄的聚合物层130的原因，谐振响应中的偏离可以通过增加金属层140给定的厚度tm来进行补偿。聚合物层130的厚度tp可以减少到由等式(13)确定的理论值的十分之一，并且根据给定应用的需求，依然可以提供足够的换能器性能。
应注意，当厚度偏离它们的原始值时，阻抗ZC会发生变化，同样双层的阻抗变换功能也会不同。尽管如此，其它层，例如，背衬吸收变换器以及最外面的变换器(在双匹配层情况中)，同样地会影响性能，从而设计这些层以补偿差异，以获得满意的综合性能。这样，在一个实施例中，聚合物层130的厚度tp可位于由公式(13)确定的理论值的十分之一厚度到传统四分之一波长匹配层的厚度之间，其中，传统四分之一波长匹配层用于换能器给定的中心谐振频率。在可选实施例中，聚合物层130的厚度tp大约为由等式(13)确定的理论值的两个、三个、四个十分之一，等等。这对于要求具有不同换能器性能的不同应用是有益的。在另一可选实施例中，聚合物层130的厚度tp可以为由等式(13)确定的理论值的1.1、1.2或1.3倍，等等，以用于不同应用。
在其它实施例中，聚合物层130和金属层140的厚度tp和tm中只有一个可以从由等式(12)和(13)确定的理论值开始进行改变。例如，当聚合物层130的厚度tp为等式(13)获得的理论厚度的一半时，也不会改变金属层140的理论厚度tm。对于本领域技术人员来说，该组合可能会导致声阻抗变换器120的谐振频率增加，使之从换能器预设的中心谐振频率增加到大约为中心谐振频率的二(2)的平方根(例如，1.414)倍。响应曲线中的变形有益于特定频率响应的其它应用，例如，包括但不限定于使用超声波能量以及多普勒流速测验的无损评价应用。
应注意，对前述揭露的实施例的改变和修改均属于本发明的范围，例如，一般情况下，压电单元为平薄层，但也可以使用其它形状和形式。与其它表面接触以及位于其它表面之上的表面可以在两表面之间具有一插入薄层，该薄层可以为对本发明结构声阻抗具有很小或没有影响的粘贴层。
通过结合实施例已经对前述发明进行了描述，然而在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (23)

1.一种超声波换能器，包括：
一个压电元件，所述压电元件具有一个特性声阻抗；
一个前声阻抗变换器，所述前声阻抗变换器与所述压电元件连接，所述前声阻抗变换器包括：
一个前聚合物层，所述前聚合物层与所述压电元件连接，厚度为tp1；以及
一个前金属层，所述前金属层用于在所述前聚合物层和一具有特性声阻抗的传播介质之间传送声能，所述金属层与所述前聚合物层连接，厚度为tm1；
其中，所述传播介质的特性声阻抗少于所述压电元件的特性声阻抗；以及
其中，所述前声阻抗变换器具有一位于所述压电元件和所述传播介质特性声阻抗之间的有效特性声阻抗ZC。
2.如权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于，在所述前金属层和所述前聚合物层的密度、所述有效特性声阻抗ZC、所述超声波换能器的一预设中心谐振频率以及所述前聚合物层中的声速的基础上，所述厚度tm1和tp1被选定。
3.如权利要求2所述的超声波换能器，其特征在于，所述前聚合物层的厚度tp1少于所述预设中心谐振频率的四分之一波长。
4.如权利要求2所述的超声波换能器，其特征在于，所述厚度tm1和tp1根据以下等式确定：
tm1＝ZC/(ρm2πfo)；以及
tp1＝Vp 2ρp/(2πfoZC)；
其中，ZC为所述前声阻抗变换器的所述有效特性声阻抗，ρm为所述前金属层的密度，fo为预设的中心谐振频率，Vp为所述前聚合物层中的声速，ρp为所述前聚合物层的密度。
5.如权利要求4所述的超声波换能器，其特征在于，所述厚度tp1至少为由权利要求4中确定的值的十分之一，并少于所述预设中心谐振频率的四分之一波长匹配层厚度。
6.如权利要求2所述的超声波换能器，其特征在于，所述超声波换能器进一步包括一连接到所述压电元件的背衬吸收体，所述背衬吸收体具有一特性声阻抗。
7.如权利要求6所述的超声波换能器，其特征在于，所述超声波换能器进一步包括一后声阻抗变换器，所述后声阻抗变换器位于所述背衬吸收体和所述压电元件之间，其中，所述后声阻抗变换器包括：
一个后聚合物层，所述后聚合物层厚度为tp2，并包括第一表面和第二表面，所述后聚合物层的所述第一表面直接连接到一金属层上，该金属层作为信号线路用于向所述压电元件输送电流；
一个后金属屏蔽层，所述屏蔽层厚度为tm2，并包括第一表面和第二表面，所述后金属屏蔽层的所述第一表面连接在所述后聚合物层的所述第二表面上，所述后金属屏蔽层的所述第二表面连接在所述背衬吸收体上；
其中，所述后聚合物层的所述特性声阻抗少于所述压电元件的所述特性声阻抗，以及
所述后声阻抗变换器具有一有效特性声阻抗，该有效特性声阻抗位于所述压电元件和所述后聚合物层的所述特性声阻抗之间。
8.如权利要求7所述的超声波换能器，其特征在于，所述前声阻抗变换器具有一谐振频率，所述后声阻抗变换器具有一谐振频率；
其中，所述前声阻抗变换器的所述谐振频率比所述超声波换能器的预设中心谐振频率高；以及
其中，所述后声阻抗变换器的所述谐振频率比所述超声波换能器的预设中心谐振频率低。
9.如权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于，所述超声波换能器进一步包括四分之一匹配层，以用于与所述传播介质接触，所述四分之一匹配层连接在所述前金属层上。
10.如权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于，所述超声波换能器进一步包括一用于与所述传播介质接触的高特性声阻抗层，以及一连接在所述前金属层的低特性声阻抗层。
11.如权利要求10所述的超声波换能器，其特征在于，所述高特性声阻抗层包括金属和一高特性声阻抗聚合物中的至少一种。
12.如权利要求11所述的超声波换能器，其特征在于，所述高特性声阻抗聚合物包括聚酰亚胺和聚脂中的至少一种。
13.如权利要求10所述的超声波换能器，其特征在于，所述低特性声阻抗层包括橡胶和乳胶中的至少一种。
14.如权利要求10所述的超声波换能器，其特征在于，所述超声波换能器进一步包括一形成为所述压电元件的空气背衬，所述空气背衬位于与所述前聚合物层相对的所述压电元件一侧面上。
15.一种超声波换能器，包括：
一压电本体，所述压电本体具有一特性声阻抗，并包括第一表面和第二表面；以及
一声阻抗变换器，所述声阻抗变换器连接在所述压电本体的所述第一表面，所述声阻抗变换器包括：
一聚合物层，所述聚合物层厚度为tp1，且包括第一表面和第二表面，所述聚合物层的所述第一表面与所述压电本体的所述第一表面连接；以及
一用于与一具有一特性声阻抗的传播介质接触的金属层，所述金属层厚度为tm1，且包括第一表面和第二表面，所述金属层的所述第一表面与所述聚合物层的第二表面连接；
其中，所述压电本体的所述特性声阻抗高于所述传播介质的特性声阻抗；
其中，所述声阻抗变换器具有一有效特性声阻抗ZC，ZC位于所述压电本体和所述传播介质的特性声阻抗之间；以及
在所述金属层和所述聚合物层的密度、所述有效特性声阻抗ZC、所述超声波换能器的一中心谐振频率以及所述聚合物层中声速的基础上，选定所述厚度tm1和tp1。
16.如权利要求15所述的超声波换能器，其特征在于，所述厚度tm1以及tp1满足
tm1＝ZC/(ρm2πfo)；以及
tp1＝Vp 2ρp/(2πfoZC)，
其中，ZC为所述声阻抗变换器的所述有效特性声阻抗，ρm为所述金属层的密度，fo为所述中心谐振频率，Vp为所述聚合物层中的声速，ρp为所述聚合物层的密度。
17.如权利要求15所述的超声波换能器，其特征在于，所述超声波换能器进一步包括一连接在所述压电本体上的背衬吸收层，所述背衬吸收层具有一给定的特性声阻抗。
18.一种用于形成一种超声波换能器的方法，所述方法包括下述步骤：
提供一个具有一特性声阻抗的压电本体；
提供一个连接在所述压电本体的背衬吸收体，所述背衬吸收体包括一低特性声阻抗材料，该材料具有的一特性声阻抗低于所述压电本体的所述特性声阻抗；
提供一厚度为tp1的聚合物层，所述聚合物层连接在所述压电本体上；
提供一金属层，以用于穿过所述聚合物层在一具有一特性声阻抗的传播介质和所述压电本体之间传送超声波能量，所述金属层厚度为tm1，并连接在所述聚合物层上；
其中，所述聚合物层和所述金属层定义了一阻抗变换器，该阻抗变换器具有预设的有效特性声阻抗，该有效特性声阻抗位于所述压电本体和所述传播介质特性声阻抗之间。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，在所述金属层和所述聚合物层的密度、所述预设的有效特性声阻抗、所述超声波换能器的一中心谐振频率以及所述聚合物层中声速的基础上，选定所述厚度tm1和tp1。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
提供四分之一波长匹配层，以用于与所述传播介质接触，所述四分之一波长匹配层与所述金属层接触。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述四分之一波长匹配层包括聚合物。
22.如权利要求7所述的超声波换能器，其特征在于，所述前声阻抗变换器具有一谐振频率，所述后声阻抗变换器具有一谐振频率，
其中，所述前声阻抗变换器的所述谐振频率低于所述超声波换能器的预设中心谐振频率，以及
其中，所述后声阻抗变换器的所述谐振频率高于所述超声波换能器的预设中心谐振频率。
23.如权利要求2所述的超声波换能器，其特征在于，所述超声波换能器进一步包括：
一个背衬吸收体，所述背衬吸收体通过一后聚合物层衬底连接在所述压电元件上，所述后聚合物层衬底包括一个第一平面以及与所述第一平面相对的第二平面，在所述第一平面上为一内部金属层作为一信号线路，以用于向所述压电层传送电流，在所述第二平面上为一与所述背衬层连接的外部金属屏蔽层，其中，所述后聚合物层衬底以及所述外部金属屏蔽层定义一插入在所述背衬吸收体和所述压电元件之间的后阻抗变换器由。
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