CN105934835A - 超宽频声波及超声波换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供用于声波及超声波产生及接收的横向宽度模式。该横向宽度模式可与传统纵向或横向模式组合，以制成多个共振模式、宽频耦合模式或其组合的声波及超声波换能器及/或阵列。由于该横向宽度模式的半波长共振性质，当其设计为利用适合顶置块体及/或匹配层操作时，可实现中等至高声压位准的超宽频换能器。利用具有低的横向声速的有源材料，每个换能器元件的横向尺寸可保持为约或小于声音于水及人体组织中的波长的一半，从而使得横向宽度模式高度适合于各种阵列设计及操作。
Description
技术领域
本发明涉及压电换能器，确切言之，本发明涉及用于声波及超声波产生、发射及接收的压电换能器的阵列。
背景技术
用于声波及超声波产生的现代换能器阵列由相同或大致相同的发射元件的有序布置组成，该发射元件设计为以纵向模式或横向模式操作。在可能的情況下，单个换能器的侧向或横向尺寸选择为大约等于或小于设计频率的声波于介质中的波长的一半(λm/2)，以产生高声强的主声束同时避免栅瓣。另外，经由波束成形和/或束影技术保持低的侧瓣的强度。
图1展示在用于水下成像目的的侧扫或合成孔径声纳中使用的此种发射阵列100的实例，其中离散矩形元件102在纵向方向及交叉方向上间隔分开约λm/2，其中λm为设计中心频率的声波或超声波在水中的波长。在阵列中使用离散换能器元件102允许主声束经由元件相控技术电子地操纵。对阵列中元件距离的控制在此种应用中是重要的。
图2例示Saitoh等人于“Forty-channel phased array ultrasonic probe using0.91Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.09PbTiO3single crystal”中报道的在医学成像中用于超声波发射及接收的1D相控陈列医学换能器200的实例。阵列200示范在纵向方向上间隔分开约λm/2的离散裂片元件，其中λm为设计中心频率的超声波于人体组织中的波长。在此种裝置中，顶部电极面210及底部电极面212分別粘结至压电有源材料204上，该压电有源材料又粘结至背衬材料214上，同时声匹配层206粘结至顶部电极层210上。随后将有源材料204连同顶部电极层210及匹配层206一起切块成离散裂片元件。最后，将声透镜208置放于声匹配层206上，如图所示。
类似换能器阵列亦用于声波及超声波接收。虽然对此种接收阵列而言以偏离共振模式操作为常见的，但其对频率相当于构成元件在接收模式中的共振频率的声波展现增强的接收敏感度。
现代超声波发射元件由镐钛酸铅(PbZr0.52Ti0.48O3或PZT)多晶陶瓷驱动。对直接驱动的无活塞发射元件而言，常用矩形、杆状或管状陶瓷。此种陶瓷跨于两个相对面极化，该相对面充当参与所要压电性质的电极。通常地，此极化方向指定为3-方向。
在纵向(33)模式操作中，有源材料沿极化(3-)方向激活，该极化(3-)方向也是声束方向。以纵向(33)模式操作的换能器元件300的实例提供于图3中。在此图中，有源元件302设置有背衬材料304。背衬材料304是软的高阻尼背衬材料，其在使用短脉冲长度信号时具有减小有源元件302的振铃的效应，以为了改良的轴向解析度。其也有助于以声功率为代价加宽换能器300的带宽。有源元件302的阴影顶面306及与顶面306相对的底面308充当电极。在此种设计中，在激活方向中的有源材料302典型地具有半波长(λc/2)的尺寸，其中
λc＝v33 D/f，
v33 D为陶瓷或单晶有源材料沿激活的纵向(3-)方向的声速；
f为所要声频；
D指示有源材料302处于恒定电位移的状态下。
在通常的横向(31)模式操作中，有源材料在两个侧向或横向方向的一个中共振激发，该方向也为声束方向。以横向模式操作的换能器元件400的实例提供于图4中。在此图中，有源元件402的阴影侧面404及与侧面404相对的面(图中未展示)充当电极。重尾块体用作背衬材料406，其有助于将声功率朝向前方方向投射。在此种设计中，在激活方向中的有源材料402典型地具有四分之一波长(λc/4)的尺寸。有源元件402中的相关声速是沿激活的横向(1-)方向，指定为v11 E(或v22 E)，其中下标“1”(或“2”)指示激活方向为两个可能的横向方向中的1-(或2-)，且上标“E”指示有源元件402在此状况下处于恒定电场的状态下。
在以上所述的纵向模式或横向模式中操作的换能器的设计中，有源元件302或402的四个侧面可利用软和高阻尼材料屏蔽传播介质，以确保有源元件不会不当地受侧向约束，且以预期模式自由振动或者共振，且实现在预期声学方向上的声波传播。为了清晰性原因，图3及图4未展示应力/压力释放材料、外壳以及连接至电极表面的导线。
多晶PZT陶瓷及其掺杂衍生物为截止目前用于超声波换能器及阵列的最流行有源材料，具有比横向性质(d31及k31值)更加优异的纵向压电性质(d33及k33值)，其中d及k分别为压电应变系数及机电耦合因数；第一下标3指示施加的电场在“3”-或极化方向上，且第二下标指示用于纵向致动的激活方向-“3”及用于横向致动的“1”或“2”。例如，对典型PZT陶瓷而言，对纵向模式d33＝300-600pC/N且k33＝0.6-0.7，而对横向模式d31＝150-300pC/N且k31＝0.34-0.40。相较于纵向性质，横向性质并不利于有效声波及超声波产生。此外，在纵向方向及横向方向中的(典型地>2000m/s)的声速远高于在水和人体组织中的声速。基于PZT的陶瓷的高声速及次等横向性质使得纵向模式换能器及阵列比横向模式换能器及阵列更流行地用于适于水下及/或医学应用的声波及超声波产生。
横向模式换能器阵列在医学领域中明显的低流行度的另一原因是涉及通过已确立自动化切块操作制造此种阵列的困难。电极在两个横向面上的沉积及其布线对此种阵列构造而言是有问题的。
发明内容
发明目的
本发明目的之一为克服或至少实质上改善先前技术的缺点及不足。
本发明目的之一为激发优选地呈矩形形状的有源元件以在两个正交横向方向中的一个中共振，以使得其在纵向方向或另一横向方向中产生声波。此种特定操作模式在下文称为“横向宽度模式”模式。
本发明目的之一也是提供声波或超声波发射元件及其阵列，其经由横向宽度模式操作，该横向宽度模式使用基于弛缓体的铁电/压电单晶。
本发明目的之一进一步为，在引入声波的频率与换能器元件在接收模式中的横向宽度模式共振重合时，以增强的接收敏感度使用用于声波及超声波接收的相同元件及阵列。
本发明目的之一为提供换能器，其设计以下列模式操作：单一横向宽度模式；或双重或三重频率模式，其共振模式的至少一者为横向宽度模式；或宽频耦合模式，其基本模式的至少一者为横向宽度模式；或其他衍生形式，诸如利用适合顶置块体、匹配及/或透镜层的情况。
本发明目的之一进一步为在水下、医学及工业领域的声波及超声波产生及接收中利用横向宽度模式。
技术内容
本发明的目的通过以下方式实现：提供压电换能器的称为横向宽度模式的新操作模式，以用于声波及超声波产生及接收。
根据本发明的实施例，换能器包括有源元件，其以两个相对面为电极且跨于该等电极面受极化，以使得当该有源元件设定成在横向于该极化方向的方向上共振时，以相对与该有源元件的共振横向或宽度方向成直角产生声束，以使得该声束方向为该极化方向或另一横向方向中的一个。
根据本发明之一实施例，该有源元件包括具有相同或相当尺寸及截片、具有矩形形状或适当地在至少一个维度上的锥形剖面的单件有源材料或多个有源材料，该等有源材料以并联、串联、部分并联或部分串联配置中的一种电耦合。
根据本发明之另一实施例，该有源材料在受激活横向方向中以半波长共振模式激发。
根据本发明之另一实施例，该换能器包括背衬元件，其粘结至与该有源元件的声波发射面相对的面上。该背衬元件可为重尾块体或软的高阻尼背衬材料中的一个以适合所要应用。
根据本发明之一实施例，该换能器包括直接驱动的无活塞设计或具有刚性或挠曲类型的顶置块体以适合所要应用。
根据本发明之另一实施例，该换能器包括一个或一个以上匹配层，其附接至该有源元件的声波发射面。
根据本发明之另一实施例，该换能器包括一个或一个以上透镜层，其提供于该匹配层的顶部上。
根据本发明之另一实施例，该有源元件在两个横向方向中的至少一个中具有d31(或d32)≥400pC/N且k31(或k32)≥0.60的横向压电性质，其中d31、d32为相关联的横向压电应变系数，且k31、k32为相关联的机电耦合因数。
根据本发明之又一实施例，该有源元件包括以下一个或多个的二元、三元及高阶固溶体的基于弛缓体的铁电或压电单晶的适合截片：Pb(Zn1/3Nb2/3)O3、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3、Pb(In1/2Nb1/2)O3、Pb(Sc1/2Nb1/2)O3、Pb(Fe1/2Nb1/2)O3、Pb(Yb1/2Nb1/2)O3、Pb(Lu1/2Nb1/2)O3、Pb(Mn1/2Nb1/2)O3、PbZrO3及PbTiO3，包括其改质及掺杂衍生物。
根据本发明之又一实施例，该有源元件包括[0-11]1x[100]2x[011]3截片之[011]3-极化单晶，其中[011]3为该纵向方向，且[0-11]1及[100]2为该两个侧向或横向方向。
根据本发明之又一实施例，该有源元件包括[110]1x[1-10]2x[001]3截片的[001]3-极化单晶，其中[001]3为该纵向方向，且[110]1及[1-10]2为该两个结晶学上等效的侧向或横向方向。
根据本发明之另一实施例，该有源元件包括适合截片及极化的纹理化压电陶瓷，其在该两个横向方向的至少一个中具有d31(或d32)≥400pC/N且k31(或k32)≥0.60的横向压电性质，其中d31、d32为相关联的横向压电应变系数，且k31、k32为相关联的机电耦合因数。
根据本发明之另一实施例，该有源元件包括压电单晶及纹理化多晶陶瓷的组成物及截片，其在该两个横向方向的至少一个中具有d31(或d32)≥400pC/N且k31(或k32)≥0.60的横向压电性质，其中d31、d32为相关联的横向压电应变系数，且k31、k32为相关联的机电耦合因数。
根据本发明之另一实施例，该有源元件包括非纹理化多晶压电陶瓷的改质及/或新组成物，其在该两个横向方向的至少一个中具有d31(或d32)≥400pC/N且k31(或k32)≥0.60的横向压电性质，其中d31、d32为相关联的横向压电应变系数，且k31、k32为相关联的机电耦合因数。
根据本发明之另一实施例，该有源元件包括在至少一个侧向或横向方向上相较而言低的声速的有源材料，该声速的量级相当于或低于在预期声学介质中的声速。
根据本发明之一实施例，该有源元件在至少一个侧向或横向宽度方向中的尺寸为相当于、相同于或小于设计频率的声波于预期学介质中的波长的一半(λm/2)，其中λm为具有设计中心频率的声波及超声波于预期学介质中的波长。
根据本发明之一实施例，该有源元件在两个横向宽度方向中的声速为大于在预期学介质中的声速，其中单个换能器元件的有源元件的侧向尺寸大于设计频率的声波于声学介质中的波长的一半(λm/2)，其中λm为具有设计中心频率的声波及超声波于预期学介质中的波长。
根据本发明之一实施例，该换能器是用于声波及超声波发射及接收。
根据本发明之另一实施例，提供用于声波及超声波产生及/或接收所述的装置，其包括换能器阵列。每个换能器包括有源元件，该有源元件以两个相对面为电极且跨于该等电极面受极化，其中当该有源元件设定成在横向于极化方向的方向上共振时，以相对该有源元件的共振横向或宽度方向成直角产生声束，其中声波发射方向包含该极化方向或另一横向方向中的一个。
附图说明
当结合附图阅读时，例示性实施例的以上概述以及以下详细描述得以更好地理解。出于描述本公开的目的，附图中示出本公开的示例性构造。然而，本公开不限于本文公开的特定方法及手段。此外，本领域技术人员将理解附图并未按比例绘制。
图1例示根据现有技术的传统平面发射阵列。
图2例示根据另一现有技术的在医学成像中用于超声波发射及接收的1D相控陈列医学换能器。
图3例示现有技术中已知的以λc/2纵向(33)模式共振的具有软的高阻尼背衬层的矩形有源元件的操作原理。
图4为描述现有技术中已知的以λc/4横向(31)模式共振的具有重尾块体的矩形有源元件的操作原理的示意图。
图5例示根据本发明的实施例的以横向宽度模式共振的有源元件的操作原理。
图6示出根据本发明的另一实施例的以横向宽度模式共振的有源元件的操作原理。
图7例示本发明的示例性换能器。
图8(a)-(d)为根据本发明的实施例的有源元件的示例性图解，该有源元件具有不同横向宽度尺寸及/或具有用于改良换能器的频宽的锥形剖面。
图9展示图7所描述的示例性换能器在125kHz至150kHz范围内的横向宽度模式的发射电压响应(TVR)。
图10展示本发明的又一示例性换能器的发射电压响应(TVR)。
图11展示本发明的再一示例性换能器的扩展频宽的发射电压响应(TVR)。
具体实施方式
以下描述中论述的实施例为非限制性实例，且仅仅引用来例示至少一个实施例而不旨在限制其范围。
本发明提供用于声波及/或超声波产生、发射及接收的新操作模式。使用新操作模式的换能器包括有源元件，其在激活后产生声束，以使得声束的方向与有源材料的共振侧向或宽度方向成直角。这与传统横向模式对比而言，在传统横向模式中，有源材料的共振方向及声束为相同的。
图5例示以本发明的新操作模式操作的换能器500。换能器500包括有源元件502、背衬元件504、两个电极面506及其相对面及耦接至电极面的导线。有源元件502由表现压电性质且优选地为矩形形状的有源材料制成。背衬元件504可为由例如不锈钢或钨制成的重尾块体。重质背衬元件504有助于将声功率朝向前方方向投射。阴影侧面506及其相对面(图中未展示)为电极面，该电极面又耦接至导线。为了清晰性，不示出周围应力/释压材料、连接至电极面中每个的导线以及外壳。
当将电压施加于导线时，有源材料可受激发，即，有源材料可设定成在横向宽度方向上共振。有源材料的激发由图中机械激发方向箭头来描述。有源材料的激发以半波长(λc/2)共振模式发生。由于共振，可产生声束。在本发明中，不同于传统横向模式操作，所产生声束的方向正交于激发的横向宽度方向。图中示出极化方向、机械激发方向及声束方向。此种新操作模式在下文称为“横向宽度模式”，以将其与传统横向操作模式相区别，后者在下文称为“横向长度模式”。
本发明的横向宽度模式也可通过沿适合的侧向或横向宽度方向激发有源元件的有源材料而激活，从而使得产生的声束在如图6中示例性示出的纵向方向上产生。在此图中，有源元件602的顶面606及其相对面为电极面。背衬元件604可为软的高阻尼背衬材料。为了清晰性，未示出周围应力/释压材料、连接至电极面中每个的导线以及外壳。还在此实例中，有源元件602的有源材料可以半波长(λc/2)共振模式被激发。
在以上引用的两个实例中，虽然图5中使用重尾块体，但图6中使用软的高阻尼背衬材料。对尾部块体或软背衬材料的选择取决于实际应用要求。
对在有源元件502或602的有源材料中横向宽度模式的有效激活而言，有源材料可在受激发侧向或宽度方向上具有合理的高横向压电性质，尤其是横向压电应变系数(d31或d32)及机电耦合因数(k31或k32)。例如，d31可大于或等于400pC/N，而k31可大于或等于0.60。优选地，有源材料可提供沿两个横向方向的至少一个的声速，该声速可相当于或小于在预期声学介质中的声速。此可允许实现在受激活宽度方向上尺寸大致为λm/2或小于λm/2的有源元件502或602实现符合阵列设计中的λm/2元件距离，其中λm为设计中心频率的声波在预期声学介质中的波长。例如，水可为用于水下应用的预期声学介质，而人体组织为用于医学应用的预期声学介质。
展现以上性质的有源材料包括而不限于新一代基于弛缓体的铁电/压电单晶，例如，铌酸铅锌-钛酸铅(Pb[Zn1/3Nb2/3]O3-PbTiO3或PZN-PT)的固溶体单晶、铌酸铅镁-钛酸铅(Pb[Mg1/3Nb2/3]O3-PbTiO3或PMN-PT)的固溶体单晶、铌酸铅镁-锆钛酸铅(PMN-PZT)的固溶体单晶，及其组成上改质的三元及四元及掺杂衍生物。这些晶体的适合截片(cut)不仅具有高的横向压电性质(d31、d32、k31及k32)而且具有低的横向声速(v11 E及v22 E)。
表1适用于[0-11]1x[100]2x[011]3截片的[011]3-极化PZN-PT、PMN-PT及PIN-PMN-PT单晶的相关横向及纵向压电性质及声速，其中PIN是Pb[In1/2Nb1/2]O3的缩写。
*使用v11 E＝√1/(s11 Eρ)、v22 E＝√1/(s22 Eρ)及v33 D＝√1/(s33 Dρ)的推演值。
表2提供[110]1x[1-10]2x[001]3截片的[001]3-极化PZN-PT及PMN-PT单晶的横向及纵向压电性质及声速。
*使用v11 E＝√1/(s11 Eρ)及v33 D＝√1/(s33 Dρ)的推演值。
例如，表1展示：对[011]3-极化PZN-(6-7)％PT单晶而言，在[0-11]1及[100]2横向晶体方向中的压电应变系数及机电耦合因数(分别为>1000 pC/N及>0.75)为基于PZT的陶瓷的压电应变系数及机电耦合因数的若干倍。另外，此晶体截片展现在两个横向方向中的比较低的声速(v11 E≌1500 m/s且v22 E<1000 m/s)，其约为或小于在水及人体组织中的声速，总合地为约1500-1600 m/s。
类似地，也以具有[110]1激活方向的[001]3-极化PZN-(4.5-7)％PT及PMN-28％PT单晶注意到极佳横向性质(表2)。典型值为d31≥1000 pC/N，k31≈0.80。就两种组成而言，PZN-PT晶体展现在横向方向上的较低声速v11 E≈1740-1990m/s，其较接近在水及人体组织中的声速。
在此等单晶的横向方向中的极佳压电性质及低声速使得新的声波及超声波换能器及阵列成为可能，该声波及超声波换能器及阵列的操作模式之一为本发明的横向宽度模式，如以下所说明。
图7a-c示出示例性多晶装置，例如多晶换能器700。图7a为换能器700的俯视图，而图7b描述换能器700的三维视图。图7c描述换能器700的透视图。电极面如图所示的加有阴影。作为一实例，换能器700设计为以本发明的横向宽度模式操作以用于水下应用，即，用于在水中以约140kHz发射声波。
换能器700包括四个具有相同截片及尺寸的[011]3-极化PZN-5.5％PT单晶702，每个以两个相对较大侧面为电极，且在[011]3晶体方向上极化(图7a)。尽管具有相同截片及尺寸的晶体用于此实例中，但尺寸及截片可有所变化以适合所要应用，如图8(a-d)所示。四个[011]3-极化PZN-5.5％PT单晶702在其底面处耦接至适当尾部块体704。四个晶体702并联电连接以减少驱动电压。诸如串联连接或部分并联及部分串联连接的其他布线方案也是可能的，此取决于实际应用需要。为了清晰性，此图中未示出周围应力/释压材料、连接至各别电极面的导线及外壳。
晶体可设计来沿许多方向以横向宽度模式共振。例如，如图7b所描述，晶体设计为沿[0-11]1侧向晶体方向、以约140kHz、以横向宽度模式共振。对该晶体截片取声速v11 E＝1460m/s(表1，第5行)的情况下，用于在晶体的[0-11]1侧向或宽度方向中的λc/2激发的尺寸为约5.2mm，其小于就该阵列取1500m/s的于水中的声速而言的优选元件距离λm/2＝5.55mm。在此状况下，声束方向沿[100]2晶体方向，如图7b所指示。
在换能器700的[0-11]1侧向或宽度方向中的晶体尺寸可有所改变，以产生相应于在该方向中的λc/2共振激发的所要声频。
或者，四个[011]3-极化晶体可沿[100]2晶体方向受激活，且声束方向可替代地沿横向[0-11]1晶体方向。[011]3-极化PZN-5.5％PT晶体在[100]2宽度方向中的声速为v22 E≈880m/s，d32≈2600pC/N且k32≈0.90(表1，第5行)。用于λc/2激发的所需宽度尺寸因此为约3.14mm，其远小于传统上对此等阵列采用的λm/2＝5.55mm的元件距离，从而允许发射元件能够更为密集包装在阵列中以为了增加的声功率。
适用于声波投射的横向宽度模式的单晶的另一实例为[001]3-极化晶体，其受激活横向方向是沿[110]1晶体方向。[110]1及[1-10]2对此晶体截片而言为结晶学上等效的方向。对此晶体截片的PZN-(6-7)％PT而言，沿[110]1横向方向的声速接近水及人体组织的声速。此晶体截片也具有高的横向压电系数及机电耦合因数，其中d31＝1200pC/N且k31＝0.80。
图8(a)-(d)提供根据本发明的实施例的有源元件802的示例性图解，该有源元件具有不同横向宽度尺寸及/或具有用于改良以横向宽度模式共振的换能器的频宽的锥形剖面。电极面加有阴影以便识别。尽管有源元件802示出为由四个晶体制成，但是本发明扩展至具有一或多个晶体的有源元件的其他实施例。
本发明可因此应用于一系列由具有适合组成物及截片的压电单晶制成的有源元件502、602、702或802，该压电单晶有源元件具有合理的高横向压电性质，即：d31(或d32)≥400pC/N且k31(或k32)≥0.60，包括但不限于具有以下组分的二元、三元及高阶固溶体的铁电/压电单晶：Pb(Zn1/3Nb2/3)O3、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3、Pb(In1/2Nb1/2)O3、Pb(Sc1/2Nb1/2)O3、Pb(Fe1/2Nb1/2)O3、Pb(Yb1/2Nb1/2)O3、Pb(Lu1/2Nb1/2)O3、Pb(Mn1/2Nb1/2)O3、PbZrO3和PbTiO3，以及其掺杂及改质衍生物。
有源元件502、602、702或802还包括具有适合组成物及截片的纹理化或非纹理化多晶压电陶瓷，该多晶压电陶瓷展现合理的高横向压电性质，即d31(或d32)≥400pC/N且k31(或k32)≥0.60。或者，有源元件502、602、702或802可经改质，且包括单晶、纹理化及非纹理化多晶陶瓷的压电材料的新组成物及截片展现合理的高横向压电性质，即d31(或d32)≥400pC/N且k31(或k32)≥0.60。优选地，所述单晶、纹理化及非纹理化陶瓷具有在至少一个横向方向上大致为或小于在预期声学介质中的声速的声速。
图9示出示例性换能器700的发射电压响应(TVR)图表900，其中在138kHz下的共振模式为本发明的横向宽度模式。
在横向宽度模式中，由于所使用单晶截片的高的横向压电是数及机电耦合因数(d31≈1000pC/N且k31≈0.80，参见表1的第5行)，所以该换能器元件展现：对在约138kHz下的横向宽度模式而言，142dB re 1μPa/V 1m的相当高的TVR峰值，及每个元件在约100Vrms的最大交流输入电压下、无任何直流偏压的情况下>180dB re 1μPa/V 1m的合理的高声压位准。当该元件以较高交流电压、于适当直流偏压下驱动时，较高声压级为可能的。
除相应于横向宽度模式的TVR峰值之外，图9也描述在由相同晶体展现的横向长度模式中，当经由λc/4模式沿其其他横向[100]2晶体方向以110kHz共振时的TVR峰值。因此，图表900示出：本发明的横向宽度模式及横向长度模式两者的TVR(及因此声源位准)为相当的，从而确认前者为用于声波及超声波产生的有效操作模式。
图表900进一步指示：当横向宽度及长度模式的共振频率可设计成充分间隔开时，所得换能器(作为本发明的实例)可用作如图所示分别在110kHz及140kHz下操作的双频发射器。
或者，本发明的换能器元件可设计为具有对横向宽度模式及横向长度模式而言十分接近的共振频率，以使得所得声束将替代地耦合以形成宽频共振。图10中示出由此种设计产生的TVR的实例。用于此种示例性换能器的晶体具有与图7相同的截片，但具有在[100]2方向上更短的尺寸，以产生对横向长度模式而言稍微更高的共振频率。
根据本发明的教义的另一示例性宽频换能器可通过将其设计成具有十分接近的共振频率而以在适合横向宽度模式与纵向模式之间的宽频耦合模式来操作。
根据本发明的教义的另一示例性宽频换能器可在晶体的侧向或宽度方向上以横向宽度模式激活且以纵向模式激活。在此状况下，晶体的尺寸可选择为使得两个横向宽度模式及纵向模式的共振频率十分接近，以形成超宽频宽的耦合共振。
以下例示在超宽频水下应用中的两个横向宽度模式及纵向模式的激活的示例性设计。在此实例中，[011]3-极化PZN-5.5％PT单晶用作有源元件，其中[0-11]1及[100]2为两个正交横向晶体方向。此晶体截片在三个各自晶体方向上的声速为：[011]3纵向方向的v33 D≈3100m/s，[0-11]1横向方向的v11 E≈1460m/s，和[100]2横向方向的v22E≈880m/s(表1，第5行)。在此实例中，[011]3晶体方向用作声束方向，[0-11]1及[100]2晶体方向是用作两个横向宽度方向。晶体经截切以具有以下大致尺寸：在[011]3晶体方向中为5.2mm以用于经由利用重尾块体的纵向模式的λc/4激活；在[0-11]1晶体方向中为6.1mm以用于在该方向中经由第一横向宽度模式的λc/2激活；以及该[100]2晶体方向中为4.9mm以用于经由第二横向宽度模式的λc/2激活。相应共振频率估计为：对第一横向宽度模式而言为90kHz，对第二横向宽度模式而言为120kHz，且对纵向模式而言为150kHz，该频率对超宽频超声波发射及接收目的而言十分接近。另外，晶体尺寸可经调整以产生分离共振或耦合共振，此取决于实际应用要求。
在如以上提及的宽频换能器中，借由横向宽度模式、横向长度模式及纵向模式产生的声波均同相。因此，当设计宽频或超宽频换能器时，耦合模式的形成可不为必要的。换言之，合理的平坦TVR回应(即，处于10dB变化内)可经由以下者的组合激活而实现：(a)横向宽度模式及横向长度模式、(b)适合横向宽度模式及纵向模式、或(c)两个横向宽度模式及纵向模式，同时保持各自模式的共振频率彼此十分接近。
应注意，由于通过尾部块体强加的机械约束，有源材料于尾部块体附近的横向宽度模式共振的边界条件局部地改变。换言之，本发明的横向宽度模式将展现相较于在缺乏约束时而言的分散或较宽共振。预期分散共振行为在附加约束存在时增强，从而将进一步影响有源材料的预期横向宽度模式的振动行为，该附加约束诸如增加刚性或挠曲类型的顶置块体(或活塞)、一或多个适合的匹配层及/或透镜层。晶体的顶面处的强加边界条件将进一步增强本发明的横向宽度模式的分散共振性质，从而得到改良频宽。
另外，可用于促进横向宽度模式的分散共振行为及因此增加换能器的频宽的其他方法包括：使用具有稍微不同横向宽度尺寸的有源材料，以及在至少一个维度上具有适当锥形剖面的有源材料，如图8(a)-(d)中示例性所示。
图11展示本发明的另一示例性换能器的扩展频宽的TVR。示例性换能器具有相当于图7的设计，但具有增加至其顶部突出面上的适合四分之一波长匹配层。与如图9所示的无活塞设计相对，此种设计明显对在130-190kHz范围内的横向宽度模式增加更多的频宽。当替代地使用适合顶置块体或化合物匹配层时，预期类似的结果。
从以上实例看明显的是，本发明的横向宽度模式可在换能器设计中以各种适合形式加以利用，以适合各种应用需要。此形式包括双重或三重频率模式、宽频耦合模式、利用适合顶置块体及/或匹配层的超宽频模式、利用具有相同或稍微不同横向宽度尺寸的单一或多个有源元件的超宽频模式，等等。不管这些极具吸引力的设计特征，每个有源元件在受激活横向方向中的尺寸上大致为或小于λm/2，从而允许实现具有约为或小于λm/2元件距离的不同配置的阵列。所制造阵列的声学效能可易于经由传统波束成形技术预测。电子束影及操纵可适用于此状况。
本发明的横向宽度模式也适用于具有适合软背衬层的换能器设计，如图6中示例性所例示。所有上述效应仍可适用，除了在此状况下，所得声功率因扩展的频宽而降低。
在一实施例中，横向宽度模式也适用于以下状况：有源材料在两个横向宽度方向中的速度大于在预期声学介质中的声速。在此状况下，有源材料在共振宽度方向中的横向尺寸将大于具有预期中心频率的声波于介质中的波长的一半(λm/2)。其也适用于由这种元件制成的换能器阵列。
本发明也适用于使用换能器元件及阵列以用于频率相当于构成元件于接收模式中的横向宽度共振的声波进行的声波及超声波接收。相较于在换能器以离共振模式工作时，在此状况下实现增强更多的接收敏感度。
本发明进一步适用于混合声波及超声波发射及接收的换能器及其阵列。共振或离共振模式可在此状况下用于声波接收。
本发明的换能器及其阵列可在许多领域中获得应用——水下应用(例如，水下成像、测距及通讯，其中典型工作频率范围自低的数十kHz至低的数十MHz)、医学应用(例如，医学成像，其典型频率范围自中等的数百kHz至高的数十MHz)，及工业应用(例如，结构成像及瑕疵影像，其操作频率可自高的数十kHz广泛变化至高的数十MHz，此取决于所检查的材料)。
对本领域技术人员而言明显的是，本发明实施例的所选配置、尺寸、材料可加以改适、修改、精炼或以稍微不同但等效的方法替换，而不脱离本发明的工作原理的主要特征，且可增加额外特征来增强换能器及阵列的效能及/或可靠性。这些取代、替代、修改或精炼将视为落入以下权利要求的范围及许可内。
另外，以上揭示的特征及功能及其他特征及功能的变化形式或其替代可合乎需要地组合成许多其他不同的系统或应用。此外，本发明中各种当前尚未预见或尚未预期的替代、修改、变化或改良可由本领域技术人员做出，其也旨在由以下权利要求涵盖。
Claims (34)
1.一种换能器，其包含：
有源元件，其以两个相对面为电极且跨于电极面受极化，其中，当所述有源元件设定成在横向于极化方向的方向上共振时，产生了相对于所述有源元件的共振横向或宽度方向成直角的声束，其中，声束方向包含所述极化方向或另一横向方向中的一个。
2.根据权利要求1所述的换能器，其中，所述有源元件包含矩形形状的单件有源材料。
3.根据权利要求1所述的换能器，其中，所述有源元件包含在至少一个维度中具有一锥形形状的单件有源材料。
4.根据权利要求1所述的换能器，其中，所述有源元件包含以下至少一个的多种有源材料：相同矩形形状、具有稍微不同尺寸的矩形形状，或在至少一个维度中的锥形剖面，所述有源材料以并联、串联、部分并联或部分串联配置中的一种电耦合。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的换能器，其中，所述有源材料在受激活横向方向中以半波长共振模式激发。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的换能器，其进一步包含背衬元件，其粘结至与所述有源元件的声波发射面相对的面上。
7.根据权利要求6所述的换能器，其中，该背衬元件包含重尾块体或软的高阻尼背衬材料中的一个以适合所要的应用。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的换能器，其中，所述换能器包含直接驱动的无活塞设计。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的换能器，其进一步包含刚性或挠曲类型的顶置块体以适合所要的应用。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的换能器，其进一步包含至少一个匹配层，其附接至所述有源元件的声波发射面。
11.根据权利要求10所述的换能器，其进一步包含至少一个透镜层，其设置于所述匹配层的顶部上以适合所要的应用。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的换能器，其中，所述有源元件在两个横向方向中的至少一个中具有d31(或d32)≥400pC/N且k31(或k32)≥0.60的横向压电性质，其中
d31、d32为相关联的横向压电应变系数，且
k31、k32为相关联的机电耦合因数。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的换能器，其中，所述有源元件包含以下一个或多个的二元、三元及高阶固溶体的基于弛缓体的铁电或压电单晶的适合截片：Pb(Zn1/ 3Nb2/3)O3、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3、Pb(In1/2Nb1/2)O3、Pb(Sc1/2Nb1/2)O3、Pb(Fe1/2Nb1/2)O3、Pb(Yb1/ 2Nb1/2)O3、Pb(Lu1/2Nb1/2)O3、Pb(Mn1/2Nb1/2)O3、PbZrO3及PbTiO3，包括其改质及/或掺杂衍生物。
14.根据权利要求1至11中任一项所述的换能器，其中，所述有源元件包含[0-11]1x[100]2x[011]3截片的[011]3-极化单晶，其中
[011]3为纵向方向，且
[0-11]1及[100]2为两个侧向或横向方向。
15.根据权利要求1至11中任一项所述的换能器，其中，所述有源元件包含[110]1x[1-10]2x[001]3截片的[001]3-极化单晶，其中
[001]3为纵向方向，且
[110]1及[1-10]2为两个结晶学上等效的侧向或横向方向。
16.根据权利要求1至11中任一项所述的换能器，其中，所述有源元件包含适合截片和极化的纹理化压电陶瓷，其在两个横向方向中至少一个中具有d31(或d32)≥400pC/N且k31(或k32)≥0.60的横向压电性质，其中
d31、d32为相关联的横向压电应变系数，且
k31、k32为相关联的机电耦合因数。
17.根据权利要求1至11中任一项所述的换能器，其中，所述有源元件包含压电单晶及纹理化多晶陶瓷的组成物及截片，其在两个横向方向中至少一个中具有d31(或d32)≥400pC/N且k31(或k32)≥0.60的横向压电性质，其中d31、d32为相关联的横向压电应变系数，且
k31、k32为相关联的机电耦合因数。
18.根据权利要求1至11中任一项所述的换能器，其中，所述有源元件包含非纹理化多晶压电陶瓷的改质及/或新组成物，其在该两个横向方向的至少一个中具有d31(或d32)≥400pC/N且k31(或k32)≥0.60的横向压电性质，其中
d31、d32为相关联的横向压电应变系数，且
k31、k32为相关联的机电耦合因数。
19.根据权利要求1至11中任一项所述的换能器，其中，所述有源元件包含在至少一个侧向或横向方向上相较而言低的声速的有源材料，该声速的量级相当于或低于在预期声学介质中的声速。
20.根据权利要求1至11中任一项所述的换能器，其中，所述有源元件在至少一个侧向或横向宽度方向中的尺寸相当于、相同于或小于设计频率的声波于预期声学介质中的波长的一半(λm/2)，其中λm为设计中心频率的声波及超声波于预期声学介质中的波长。
21.根据权利要求1至11中任一项所述的换能器，其中，所述有源元件在两个横向宽度方向中的声速大于在预期声学介质中的声速，其中单个换能器元件的有源元件的侧向尺寸大于设计频率的声波于所述声学介质中的波长的一半(λm/2)，其中λm为设计中心频率的声波及超声波在预期声学介质中的波长。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的换能器，其中，所述换能器是用于声波及超声波发射及接收。
23.一种用于声波及超声波产生及/或接收的装置，该装置包含：
换能器的阵列，其中，每个换能器包含有源元件，所述有源元件以两个相对面为电极且跨于电极面受极化，其中，当所述有源元件设定成在横向于极化方向的方向上共振时，以相对所述有源元件的共振横向或宽度方向成直角产生声束，其中，声束方向包含所述极化方向或另一横向方向中的一个。
24.根据权利要求23所述的装置，其中，每个换能器进一步包含背衬元件，其粘结至与声波发射面相对的面上。
25.根据权利要求24所述的装置，其中，所述背衬元件包含重尾块体或软的高阻尼背衬材料中的一个以适合所要的应用。
26.根据权利要求23至25中任一项所述的装置，其中，每个换能器进一步包含顶置块体、匹配层及透镜层中的一个或多个以适合所要的应用。
27.根据权利要求23至26中任一项所述的装置，其中，所述阵列的至少一个换能器以横向宽度模式来操作。
28.根据权利要求23至27中任一项所述的装置，其中，所述有源元件包含相同或相当尺寸及截片、矩形形状或在至少一个维度上的锥形剖面的单件有源材料或多个有源材料，所述有源材料以并联、串联、部分并联或部分串联配置中的一种电耦合。
29.根据权利要求23至28中任一项所述的装置，其中，所述有源元件在至少一个侧向或横向宽度方向中的尺寸相当于、相同于或小于设计频率的声波于预期声学介质中的波长的一半(λm/2)，且所述阵列中的元件距离在至少一个方向上约为或小于λm/2，其中λm为设计中心频率的声波及超声波在预期声学介质中的波长。
30.根据权利要求23至28中任一项所述的装置，其中，所述有源元件在两个横向宽度方向中的声速大于在预期声学介质中的声速，其中，单个换能器元件的所述有源元件的侧向尺寸大于设计频率的声波于所述声学介质中的波长的一半(λm/2)，且在所述阵列中的元件距离在两个方向上大于λm/2，其中λm为设计中心频率的声波及超声波于预期声学介质中的波长。
31.根据权利要求23至28中任一项所述的装置，其中，所述换能器的阵列以双重或多频率模式来操作，其中，操作模式的至少一个为横向宽度模式。
32.根据权利要求23至28中任一项所述的装置，其中，所述换能器的阵列以宽频耦合模式来操作，其基本共振模式的至少一个为横向宽度模式。
33.根据权利要求23至28中任一项所述的装置，其中，所述换能器的阵列以解耦或耦合模式的至少一个来操作，其中，所述解耦模式的至少一个或所述耦合模式的基本共振模式的一个为横向宽度模式。
34.根据权利要求23至28中任一项所述的装置，其中，所述装置是用于声波及超声波产生、发射及接收的一个或多个。
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