CN105127081B - 一种宽频超声换能器制备方法及信号发送方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽频超声换能器制备的方法和信号发送方法。制备由多个大小不同厚薄不同的压电晶片叠在一起的多重叠加式宽频超声换能器，以及由多个大小不同的中空环形压电晶片套在一起的多重套管式宽频超声换能器。每个压电晶片发送相同或者不同频带，则合起来支持连续宽频信号的大功率发送，使得传播距离更远，探测精度更高。宽频超声换能器的超声信号发送方法，是通过对发送信号进行预处理，使宽频超声换能器发出去的信号是宽频且通带平坦的信号，具体实现是先对制备好的宽频超声换能器进行频带性能测试，然后对发送信号进行预畸变。本发明可实现大功率宽频发送，且发送的宽频信号具有平坦的宽频通带特性。

Description

一种宽频超声换能器制备方法及信号发送方法

技术领域

本发明涉及超声探测技术，具体涉及宽频超声换能器的制备与发送信号的预处理方法。

背景技术

在超声波检测过程中，超声波的发射和接收是通过换能器来实现的，换能器的性能直接影响超声波的检测性能。在超声检测中一般使用压电换能器，利用材料的压电效应实现电能与声能转换的换能器。换能器中的关键部件是压电晶片，它的作用是将电能和声能互相转换。当电压作用于压电晶片时，压电晶片会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电晶片时，则会产生产生一个电信号。

压电换能器的压电晶片在电信号激励下会产生共振，共振的频率取决于压电晶片的材料和厚度，厚度越小，共振频率越高。共振的频率也即是产生的超声波的频率，只有在共振频率附近才会引起压电晶片的振动，产生超声波，所以压电换能器的带宽比较窄，难以进行宽带信号的发送，另外也只有在共振频率附近，电能和声能互相转换的效率才高。

压电换能器的体积受压电晶片的体积的影响，主要体现于压电晶片的厚度和底面积。厚度小，共振频率高，因此要制作低频超声换能器，需要增加压电晶片的厚度。而底面积的大小会影响发射功率，增加换能器的底面积可以增加发送功率。目前的压电换能器为了使超声传播距离远，以及提高穿透能力，采用增加底面积的方法来增加发射功率，但是这样探测面积大，导致检测的横向分辨力低。要想改变压电晶片的底面积可以改造其结构，但是目前的压电换能器的压电晶片的激励是脉冲信号，通过反射或者透射的脉冲信号来检测物体，使得压电换能器的结构难以被改造。如多个压电晶片不能重叠在一起，这样上层压电晶片产生的超声波接触到下层压电晶片时有反射波，对探测物的反射波引起干扰，从而严重影响探测。

另外，接收的换能器一般也使用和发送端相同类型的压电陶瓷换能器，同样具有带宽窄、体积大等缺点。

发明内容

针对目前超声换能器带宽窄，不能发送宽带连续信号的缺点，本发明提出一种宽频超声换能器制备及信号发送方法，该换能器支持连续宽频信号的大功率发送，使得传播距离更远。本发明通过如下技术方案实现：

一种宽频超声换能器制备的优化方案之一，宽频超声换能器为叠加式结构，称为多重叠加式宽频超声换能器，由多个大小不同厚薄不同的压电晶片叠在一起。相邻的压电晶片垫绝缘材料来分隔。多个大小不同的压电晶片叠在一起后上层用非透声材料制作的背衬进行封装，再用一个外罩把所有的压电晶片和背衬罩住以及卡住成为一个整体，封装后成为多重叠加式宽频超声换能器。外罩的下底面用透声的材料，其他地方用非透声材料。外罩的下底面即是探测时对准探测物的那一面。

上述的每个压电晶片的大小形状可以不同，这样底面积会不同，发射功率会不同，故可以通过控制每个压电晶片的大小形状来调整发射功率。

上述压电晶片的叠加顺序原则为：中心频率低的放在上层(即是非透声材料制作的背衬进行封装的那一侧)，中心频率高的放在下层。这是由于频率低的超声波穿透性强，中心频率低的压电晶片发出的超声波需要穿过中心频率高的压电晶片才发射出去。

上述的压电晶片可以为压电陶瓷晶片，也可以是其他类型的压电晶片，支持发送大功率的窄带变频信号，配有与之匹配的窄带功放电路。

上述的压电晶片叠在一起组成多重叠加式宽频超声换能器，每个压电晶片发送相同或者不同频带，则多重叠加式宽频超声换能器合起来可以发送宽频信号。每个压电晶片支持发送的频带可以有重叠，重叠的部分将加强此频带内信号的能量。

一种宽频超声换能器制备的优化方案之二，宽频超声换能器为多重套管式结构，称为多重套管式宽频超声换能器，由多个大小不同的中空环形压电晶片套在一起，上层用非透声材料制作的背衬进行封装，再用一个外罩把所有的压电晶片和背衬罩住以及卡住成为一个整体，封装后成为多重套管式宽频超声换能器。外罩的下底面用透声的材料，其他地方用非透声材料。外罩的下底面即是探测时对准探测物的那一面。

上述每个中空环形压电晶片的内环半径不同，外环半径不同，内外环半径之差也可以不同，由此环形的底面积不同。底面积的增加相当于增大了发射面积会使发射功率增大。因此可以通过控制每个中空环形压电晶片内外环的半径来调整发射功率。任意两个中空环形压电晶片的内外径必须满足：小的中空环形压电晶片的外环半径小于大的中空环形压电晶片的内环半径，以保证小的中空环形压电晶片可以嵌套于大的中空环形压电晶片内。

上述的中空环形压电晶片可以为压电陶瓷晶片，也可以是其他类型的压电晶片，支持发送大功率的窄带变频信号，配有与之匹配的窄带功放电路。

上述的多个中空环形压电晶片套在一起组成多重套管式换能器，每个中空环形压电晶片发送相同或者不同频带，则多重套管式宽频超声换能器合起来可以发送宽频信号。每个中空环形压电晶片支持发送的频带可以有重叠，重叠的部分将加强此频带内信号的能量。

作为上述宽频超声换能器制备的优化方案一和优化方案二，上述方法制备的宽频超声换能器既可以作为发射探头也可以作为接收探头。作为发射探头，则要对发送的宽频信号进行预畸变；作为接收探头，需要对宽频超声换能器的每个压电晶片的输出连接到一个加法器来完成相加的操作，加法器的输出才是总的接收信号。为消除接收探头对接收信号的影响，也可以对接收信号进行预处理。

上述宽频超声换能器作为发射探头，前面需要连接一个前端电路，前端电路包括分频器和若干个窄带功放组成的功率放大器，连续宽频发送信号通过分频器后先进行频带分割，由对应的窄带功放进行功率放大，再发送给对应的压电晶片。

一种宽频超声换能器制备的超声信号发送方法，是通过对发送信号进行预处理，使宽频超声换能器发出去的信号可以是宽频且通带平坦的信号，具体实现是先对制备好的宽频超声换能器进行频带性能测试。其原理为：

假设2个压电晶片(压电晶片A和压电晶片B)，压电晶片A在上层，压电晶片B在下层叠在一起，压电晶片A的超声信号穿过压电晶片B。则当所加的电压信号(宽频输入信号)为x(t),x(t)经过压电晶片A和压电晶片B发射出去，假设这条路径看成是信道1，其冲激响应为h₁(t)；x(t)经过压电晶片B发射出去，假设这条路径看成是信道2，其冲激响应为h₂(t)。则发射出去总的信号为：

x_s(t)＝x(t)*h₁(t)+x(t)*h₂(t) (公式1)

为了测试这2个压电晶片组成的宽频超声换能器频带性能，需要一个与之相同的宽频超声换能器来作为接收。接收的宽频超声换能器也是由2个同样的压电晶片组成，只是为了区分，分别称为压电晶片A’和压电晶片B’。接收时，两个宽频超声换能器直接对接，且对称放置，接收的宽频超声换能器每个压电晶片都有一路接收信号，其中压电晶片A’接收的信号，相当于x_s(t)穿过压电晶片B’和压电晶片A’，经过了冲激响应为h₁(t)的信道，为：

y₁(t)＝x_s(t)*h₁(t) (公式2)

压电晶片B’接收的信号，相当于x_s(t)经过了冲激响应为h₂(t)的信道，为：

y₂(t)＝x_s(t)*h₂(t) (公式3)

把(公式1)代入(公式2)、(公式3)，再由(公式2)、(公式3)可以解出h₁(t)和h₂(t)。

探测时，若不进行预处理，输入信号为x(t)，发射出去总的信号x_s(t)为(公式1)，令h(t)＝h₁(t)+h₂(t)，进一步写为：

x_s(t)＝x(t)*[h₁(t)+h₂(t)]＝x(t)*h(t) (公式4)

则相当于输入信号为x(t)，经过一个冲激响应为h(t)的信道(该信道即是压电晶片A和压电晶片B共同作用的信道)得到输出信号x_s(t)。进行预处理，则是对此信道先进行均衡，求其逆系统h^-1(t)，h^-1(t)与h(t)的关系是：两者的卷积为单位冲激信号，即是h^-1(t)*h(t)＝δ(t)。则发送信号预畸变为

(公式5)

这样再经过压电晶片A和压电晶片B共同作用的信道，则

(公式6)

发射出去的信号即是宽频输入信号。

一种宽频超声换能器的超声信号发送方法，包括如下步骤：

(1)对宽频超声换能器进行频带性能测试。

先准备一个与待进行频带性能测试的宽频超声换能器一样的宽频超声换能器作为接收换能器，且接收换能器每个压电晶片都有一路信号输出。待进行频带性能测试的宽频超声换能器作为发射探头，接收换能器作为接收探头，两个探头直接对接。然后对待进行频带性能测试的宽频超声换能器加入电压信号，电压信号即为发送的宽频信号。接收探头接收多路信号，由接收的多路信号和发送的宽频信号求解每路的信道冲激响应，然后再求总的冲激响应h(t)。

(2)宽频超声换能器发送经过预畸变的信号。若要发送的信号为x(t)，根据已经求的宽频超声换能器总的冲激响应h(t)，先求其逆系统h^-1(t)，然后对发送信号预畸变，即是卷上h^-1(t)后再发送。

与现有的超声换能器相比，本发明具有以下优点：

(1)该超声换能器可以发送连续宽频信号。带宽的增加和发射信号的持续时间的增加使得整个探测系统的性能得以提高。

(2)制备的宽频超声换能器既可以作为宽带发射探头也可以作为宽带接收探头。

(3)发送的宽频信号具有平坦的通带特性。对发送信号预畸变后再从发射探头发出后该信号具有平坦的通带特性，且消除了发射探头对发送信号的影响。

(4)接收的宽频信号经过预处理后同样可以消除接收探头对接收信号的影响。

(5)多个晶片是叠在一起或者套在一起制备成宽频超声换能器，可以在同等发射功率情况下缩小探头的体积。

附图说明

图1(a)是本发明的多重叠加式宽频超声换能器示意图。

图1(b)是本发明的多重叠加式宽频超声换能器作为发射探头和前端电路连接示意图。

图2(a)是本发明的多重套管式宽频超声换能器示意图。

图2(b)是本发明的多重套管式宽频超声换能器作为发射探头和前端电路连接示意图。

图3是本发明制备的宽频超声换能器频带性能测试示意图。

图4是本发明制备的宽频超声换能器作为发射探头的探测示意图。

图5是本发明制备的宽频超声换能器作为接收探头的探测示意图。

图6是本发明的宽频超声换能器超声信号发送的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，但本发明的实施不限于此。

如图1所示，是本实施例所述一种宽频超声换能器制备的优化方案之一，为叠加式结构，称为多重叠加式宽频超声换能器，由多个大小不同厚薄不同的压电晶片叠在一起，图1(a)所示由两个2个压电晶片，压电晶片A101和压电晶片B102，压电晶片A在上层，压电晶片B在下层叠在一起，相邻的压电晶片垫绝缘材料103来分隔。多个大小不同的压电晶片叠在一起后，在压电晶片A上层用非透声材料制作的背衬104进行封装，再用一个外罩105把所有的压电晶片和背衬罩住以及卡住成为一个整体，外罩的下底面用透声材料制作，其他用非透声材料，这样封装完成后即成为多重叠加式宽频超声换能器。

图1(b)示意图1(a)所示的宽频超声换能器和前端电路的连接，压电晶片A101和压电晶片B102分别接窄带功放1和窄带功放2。该前端电路包括数模转换单元(DA)、分频器和2个窄带功放组成的功率放大器。连续宽频发送信号经过数模转换后通过分频器后先进行频带分割，再由对应频段的窄带功放进行功率放大，再发送给对应的压电晶片。

如图2所示，是本实施例所述一种宽频超声换能器制备的优化方案之一，为多重套管式结构，称为多重套管式宽频超声换能器，由5个大小不同的中空环形压电晶片套在一起，成为环形套管201，上层用非透声材料制作的背衬202进行封装。再用一个外罩203把所有的压电晶片和背衬罩住以及卡住成为一个整体，外罩的下底面用透声材料制作，其他用非透声材料，这样封装完成后即成为多重套管式宽频超声换能器。其中每个中空环形压电晶片的内环半径不同，外环半径不同，内外环半径之差也可以不同，由此环形的底面积不同。底面积的增加相当于增大了发射面积会使发射功率增大。因此可以通过控制每个中空环形压电晶片内外环的半径来调整发射功率。任意两个中空环形压电晶片的内外径需满足：小的中空环形压电晶片的外环半径小于大的中空环形压电晶片的内环半径，以保证可以小的中空环形压电晶片嵌套于大的中空环形压电晶片内。

图2(b)示意图2(a)所示的宽频超声换能器和前端电路的连接，5个中空环形压电晶片分别接窄带功放1-窄带功放5。该前端电路包括数模转换单元(DA)、分频器和5个窄带功放组成的功率放大器。连续宽频发送信号经过数模转换后通过分频器后先进行频带分割，再由对应频段的窄带功放进行功率放大，再发送给对应的中空环形压电晶片。

图3示意宽频超声换能器的频带性能测试，假设测试图1(a)所示的宽频超声换能器的频带性能，则2个压电晶片(压电晶片A和压电晶片B)都加电压信号(宽频输入信号)为x(t)(注：不经过分频器和窄带功放)。一路经过压电晶片A和压电晶片B发射出去，假设这条路径看成是信道1，其冲激响应为h₁(t)；一路经过压电晶片B发射出去，假设这条路径看成是信道2，其冲激响应为h₂(t)。则发射出去总的信号为：

x_s(t)＝x(t)*h₁(t)+x(t)*h₂(t) (公式1)

为了测试这2个压电晶片组成的宽频超声换能器频带性能，准备一个与之相同的宽频超声换能器来作为接收，在图中的右边。接收的宽频超声换能器也是由2个同样的压电晶片组成，只是为了区分，分别称为压电晶片A’和压电晶片B’。接收时，两个宽频超声换能器直接对接(实际是紧挨对接，为了显示清楚，图示两个探头有一定的距离)，且对称放置，接收的宽频超声换能器每个压电晶片都有一路接收信号，其中压电晶片A’接收的信号，相当于x_s(t)穿过压电晶片B’和压电晶片A’经过了冲激响应为h₁(t)的信道，为：

y₁(t)＝x_s(t)*h₁(t) (公式2)

压电晶片B’接收的信号，相当于x_s(t)经过了冲激响应为h₂(t)的信道，为：

y₂(t)＝x_s(t)*h₂(t) (公式3)

图4示意制备的宽频超声换能器作为发射探头的探测示意图。探测时，若不进行预处理，输入信号为x(t)，发射出去总的信号x_s(t)为(公式1)，令h(t)＝h₁(t)+h₂(t)，进一步写为：

x_s(t)＝x(t)*[h₁(t)+h₂(t)]＝x(t)*h(t) (公式4)

则相当于输入信号为x(t)，经过一个冲激响应为h(t)的信道(该信道即是压电晶片A和压电晶片B共同作用的信道)得到输出信号x_s(t)。进行预处理，则是对此信道先进行均衡，求其逆系统h^-1(t)，h^-1(t)其与h(t)的关系是：两者的卷积为单位冲激信号，即是h^-1(t)*h(t)＝δ(t)。则发送信号可以为

(公式5)

这样再经过压电晶片A和压电晶片B共同作用的信道，则

(公式6)

发射出去的信号即是宽频输入信号经过分频和功放电路的信号。

图5示意制备的宽频超声换能器作为接收探头的探测示意图。作为接收探头，需要对宽频超声换能器的每个压电晶片的输出连接到一个加法器来完成相加的操作，加法器的输出才是总的接收信号。图中示意接收探头有两个压电晶片(压电晶片A’和压电晶片B’)，压电晶片A’和压电晶片B’分别接收的信号为y₁(t)和y₂(t)，则总的接收信号y(t)为：

y(t)＝y₁(t)+y₂(t) (公式7)

为消除接收探头的对接收信号的影响，也可以对接收信号进行预处理。

图6是本发明的宽频超声换能器发送方法的的工作流程图。

(1)对宽频超声换能器进行频带性能测试。

先准备一个与待进行频带性能测试的宽频超声换能器一样的宽频超声换能器作为接收换能器，且接收换能器每个压电晶片都有一路信号输出。待进行频带性能测试的宽频超声换能器作为发射探头，接收换能器作为接收探头，两个探头直接对接。然后对待进行频带性能测试的宽频超声换能器加入电压信号，电压信号即为发送的宽频信号。接收探头接收多路信号，由接收的多路信号和发送的宽频信号求解每路的信道冲激响应，然后再求总的冲激响应h(t)。

(2)宽频超声换能器发送经过预畸变的信号。若要发送的信号为x(t)，根据已经求的宽频超声换能器总的冲激响应h(t)，先求其逆系统h^-1(t)，然后对发送信号预处理，即是卷上h^-1(t)后再发送。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种宽频超声换能器的制备方法，其特征在于制备成多重叠加式宽频超声换能器，该换能器由多个大小不同厚薄不同的压电晶片叠在一起，相邻的压电晶片垫绝缘材料来分隔，多个大小不同的压电晶片叠在一起后上层用非透声材料制作的背衬进行封装，再用一个外罩把所有的压电晶片和背衬罩住以及卡住成为一个整体，外罩的下底面用透声的材料，其他地方用非透声材料。

2.根据权利要求1所述宽频超声换能器的制备方法，其特征在于所述的多重叠加式宽频超声换能器的压电晶片的叠加顺序原则为：中心频率低的放在上层，即是非透声材料制作的背衬那一侧，中心频率高的放在下层，这是由于频率低的超声波穿透性强，中心频率低的压电晶片发出的超声波需要穿过中心频率高的压电晶片才发射出去，每个压电晶片的大小形状可以不同，导致底面积不同，从而调整发射功率。

3.一种宽频超声换能器的制备方法，其特征在于制备成多重套管式宽频超声换能器，该换能器由多个大小不同的中空环形压电晶片套在一起，上层用非透声材料制作的背衬进行封装，再用一个外罩把所有的压电晶片和背衬罩住以及卡住成为一个整体，外罩的下底面用透声的材料，其他地方用非透声材料。

4.根据权利要求3所述宽频超声换能器的制备方法，其特征在于所述的多重叠加式宽频超声换能器的每个中空环形压电晶片的内环半径不同，外环半径不同，内外环半径之差也可以不同，由此环形的底面积不同，底面积的增加相当于增大了发射面积会使发射功率增大，因此可以通过控制每个中空环形压电晶片内外环的半径来调整发射功率，任意两个中空环形压电晶片的内外径必须满足：小的中空环形压电晶片的外环半径小于大的中空环形压电晶片的内环半径，以保证小的中空环形压电晶片可以嵌套于大的中空环形压电晶片内。

5.根据权利要求1或3所述宽频超声换能器的制备方法，其特征在于所述的多重叠加式宽频超声换能器的每个压电晶片和所述的多重套管式宽频超声换能器的每个中空环形压电晶片可以为压电陶瓷晶片，也可以是其他类型的压电晶片，支持发送大功率的窄带信号，配有与之匹配的窄带功放电路，每个压电晶片或中空环形压电晶片发送相同或者不同频带，则合起来可以发送宽频信号。

6.根据权利要求1或3所述宽频超声换能器的制备方法，其特征在于制备的宽频超声换能器既可以作为发射探头也可以作为接收探头,作为发射探头，则需对发送的宽频信号进行预处理；作为接收探头，需要对宽频超声换能器的每个压电晶片的输出连接到一个加法器来完成相加的操作，加法器的输出才是总的接收信号,为消除接收探头对接收信号的影响，也可以对接收信号进行预处理。

7.根据权利要求6所述宽频超声换能器的制备方法，其特征在于宽频超声换能器作为发射探头，需和一个前端电路连接，前端电路包括分频器和若干个窄带功放组成的功率放大器，连续宽频发送信号通过分频器后先进行频带分割，再由对应的窄带功放进行功率放大，再发送给对应的压电晶片。

8.一种宽频超声换能器的超声信号发送方法，其特征在于是通过对发送信号进行预处理，使宽频超声换能器发出去的信号是宽频且通带平坦的信号，具体实现是先对制备好的宽频超声换能器进行频带性能测试，测出该宽频超声换能器的信道冲激响应h(t)，再对发送信号预畸变，即是对发送信号卷上信号h^-1(t)，其与h(t)的关系是：两者的卷积为单位冲激信号，即是h^-1(t)*h(t)＝δ(t)。

9.一种宽频超声换能器的超声信号发送方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)对宽频超声换能器进行频带性能测试，

先准备一个与待进行频带性能测试的宽频超声换能器一样的宽频超声换能器作为接收换能器，且接收换能器每个压电晶片都有一路信号输出，待进行频带性能测试的宽频超声换能器作为发射探头，接收换能器作为接收探头，两个探头直接对接，然后对待进行频带性能测试的宽频超声换能器加入电压信号，电压信号即为发送的宽频信号，接收探头接收多路信号，由接收的多路信号和发送的宽频信号求解每路的信道冲激响应，然后再求总的冲激响应h(t)，

(2)宽频超声换能器发送经过预畸变的信号，若要发送的信号为x(t)，根据已经求的宽频超声换能器总的冲激响应h(t)，先求其逆系统h^-1(t)，然后对发送信号预畸变，即是卷上h^-1(t)后再发送。