CN108303470B - 一种电容式环形动态聚焦空耦超声换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电容式环形动态聚焦空耦超声换能器，包括金属基底，镀电极聚合物薄膜和相控阵延时激励电路；金属基底上表面设置有粗糙空穴，粗糙空穴覆盖有上表面镀电极的聚合物薄膜；金属基底由多个环形阵元构成，各环形阵元分别连接相控阵延时激励电路的一端，相控阵延时激励电路的另一端与偏置电压电路的一端连接，进而通过连接换能器金属基底电极作为激励源；其中，多个环形阵元形成环形聚焦相控阵，用于发射声波；偏置电压电路用于通过静电作用使聚合物薄膜与金属基底表面贴紧构成空穴谐振腔。本申请提供的电容式环形动态聚焦空耦超声换能器结构简单、加工制造成本低，可以实现尺寸较小阵元和实现动态聚焦，可以实现空耦动态无损检测，提高检测速度和分辨率。

Description

一种电容式环形动态聚焦空耦超声换能器
技术领域
本发明涉及超声换能器领域，尤其是一种电容式环形动态聚焦空耦超声换能器。
背景技术
空气耦合超声换能器(简称空耦超声换能器)的设计和制造方法是实现非接触超声无损检测的关键技术，它是利用空气作为耦合介质，发射和接收换能器均直接和空气接触，以空气作为超声声场的耦合介质，超声换能器并不和待检测材料有直接接触。国内外实用的空耦超声换能器按照原理分有压电式空耦超声换能器和电容式空耦超声换能器。
压电式空耦超声换能器的换能元件为压电材料，对压电材料产生激励作用产生固体中的声波，其原理与水浸超声换能器或接触式超声换能器类似。但由于通常使用的压电材料的声阻抗与空气存在很大的阻抗失配，其声阻抗通常相差105数量级，为了增加超声换能器辐射到空气中的声波能量，要制作压电式超声空耦换能器，需要在换能器前端设计使用具有一定层数和特定材料的匹配层结构，具体实现上通常采用微孔发泡材料、硅气凝胶等多孔材料作为匹配层材料。这种压电式空耦超声换能器的缺点是通常需要比较高的发射电压，其频率带宽相对较窄，而且对于压电材料以及匹配层材料要求比较高，制造工艺比较复杂。
电容式空耦超声换能器，其结构示意图如下图1所示。电容式空耦超声换能器与压电式空耦超声换能器相比，通过柔性聚合物薄膜实现与空气的匹配，由于薄膜厚度只有微米量级厚度，并且非常柔软，因此可以达到很好的耦合效果。与压电式超声换能器相比，电容式空耦超声换能器的结构相对简单，无需使用高的激励电压，其机电转换效率较高，尤其是相对于压电式空耦换能器其频带较宽，可以实现导波或混频等多种检测方式。
但是现有的电容式空耦超声换能器为单阵元空耦超声换能器，单阵元的空耦超声换能器具有无法构建动态聚焦声场、因此分辨率低等缺点。
发明内容
本发明的目的是解决现有的空耦超声换能器存在的上述不足，提供了电容式环形动态聚焦空耦超声换能器。
为实现上述目的，本发明提供了一种电容式环形动态聚焦空耦超声换能器，包括金属基底，金属基底上表面设置有粗糙空穴，粗糙空穴覆盖有聚合物薄膜，聚合物薄膜上表面镀有电极；金属基底由多个环形阵元构成，各个环形阵元分别连接相控阵延时激励电路的一端，相控阵延时激励电路的另一端与偏置电压电路的一端连接，偏置电压电路的另一端连接电极另一端连接地线；其中，多个环形阵元形成环形聚焦相控阵，用于发射声波；偏置电压电路用于通过静电作用使聚合物薄膜与金属基底贴紧构成粗糙空穴；相控阵延时激励电路用于对各个环形阵元进行激励并产生多个偏置信号，多个偏置信号与偏置电压电路混合形成超声换能器的激励信号。
优选的，多个环形阵元数量为2n，n为自然数。
优选的，聚合物薄膜由电绝缘材料构成。
优选的，电极材料为低电阻率导电材料，电极可以是铝电极或银电极等金属电极，也可以是石墨电极或石墨烯电极。
优选的，通过将金属基底表面机械加工、激光打孔或刻蚀或化学腐蚀获得粗糙凹槽或空槽；并通过偏置电压电路和电极将金属基底与聚合物薄膜贴近，形成粗糙空穴。
优选的，多个环形阵元之间填充绝缘材料；绝缘材料为环氧树脂、聚氯乙烯PVC或尼龙中的一种，用于在各环形阵元与电极间形成电磁隔离以及隔离多个环形阵元间的振动或声耦合。
优选的，偏置电压电路和相控阵延时激励电路部分或全部集成在超声换能器外部，通过电缆与超声换能器连接。
优选的，相控阵延时激励电路为超声相控阵仪器或多通道信号发生器。
优选的，多个环形阵元中各个环形阵元的面积相同；各个环形阵元之间的间距相同。
优选的，超声换能器辐射声场的中心频率范围为40kHz～1MHz。
本申请提供的电容式环形动态聚焦空耦超声换能器在传统电容式空耦换能器基础上进行了改进优化，可以在空气中实现超声频段的声场动态聚焦，本申请提供的电容式环形动态聚焦空耦超声换能器，具有结构相对简单，加工制造成本低，频率带宽相对较宽，可以实现尺寸较小阵元以及实现动态聚焦等优点，可以用于空耦动态无损检测，提高了检测速度和成像分辨率。
附图说明
图1为本发明提供的现有的电容式空耦超声换能器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的电容式环形动态聚焦空耦超声换能器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的电容式环形动态聚焦空耦超声换能器的核心结构图；
图4为本发明实施例提供的电容式环形动态聚焦空耦超声换能器形成的声场效果示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明提供的现有的电容式空耦超声换能器的结构示意图，如图1所示，现有技术中的电容式空耦超声换能器包括一个具有单阵元的金属基底1、粗糙空穴2、覆盖在金属基底1之上的聚合物薄膜3、在聚合物薄膜3之上镀有电极4。金属基底1和电极4之间通过电阻11和偏置电压电路6连接构成平行的电容器。上述电容式空耦超声换能器，通过偏置电压电路6，使得聚合物薄膜3贴紧金属基底1，在平行的电容器的电极4和金属基底1之间施加一定相应频率的交流电压信号7，电极4与粗糙空穴2构成声学共振腔，通过聚合物薄膜3向空气中发射与输入电压信号成正比的振动，形成空气耦合声场9。上述提供的电容式空耦超声换能器为单阵元的超声换能器，这样形成的空气耦合声场并不是动态聚焦声场。因此，现有技术中的空耦超声换能器具有无法构建动态聚焦声场、分辨率低等缺点。
图2为本发明实施例提供的电容式环形动态聚焦空耦超声换能器的结构示意图，如图2所示，该电容式空耦环形相控阵超声换能器包括金属基底1，金属基底1上表面设置有粗糙空穴2，粗糙空穴2覆盖有聚合物薄膜3，聚合物薄膜3上表面镀有电极4，金属基底1由多个环形阵元11构成，各个环形阵元11分别连接相控阵延时激励电路12的一端，相控阵延时激励电路12的另一端与偏置电压电路6的一端连接，偏置电压电路6的另一端连接电极4另一端连接地线8；其中，多个环形阵元11形成环形聚焦相控阵，用于发射声波；偏置电压电路用于通过静电作用使聚合物薄膜与金属基底1贴紧构成粗糙空穴2；相控阵延时激励电路12用于对各个环形阵元11进行激励并产生多个偏置信号，多个偏置信号与偏置电压电路混合形成超声换能器总的激励信号。超声换能器总的激励信号作用于多个阵元11与电极4之间，进而形成动态聚焦的声场13。
在本发明实施例中，相控阵延时激励电路12可以使用商用或实验室使用的超声相控阵仪器或多通道信号发生器，可以根据轴向聚焦距离计算各阵元延时数值对各通道信号设置不同延迟，进而形成轴向动态聚焦声场。其中，辐射声场的中心频率可以是20kHz～2MHz，通常在几百kHz到1MHz之间。
在本发明实施例中，辐射声场的中心频率优选为40kHz～1MHz，超声换能器中心频率附近具有较宽的带宽，可以实现较宽频超声信号的发射。超声换能器中心频率越高，通过超声换能器各阵元延时聚焦形成声场的声束越窄，超声换能器用于超声检测可以达到较高的检测分辨率。另外，中心频率越高，超声波声束在空气介质中的衰减越大，因此需要较高的输入电压达到相同的声场强度，或者减少与检测对象之间的距离用于提高信噪比和检测分辨率，因此，超声换能器的中心频率选择在40kHz～1MHz之间效果最佳。
在本发明实施例中，偏置电压电路6主要是用于在金属基底1与绝缘的聚合物薄膜3上表面镀的电极4之间通过静电作用使聚合物薄膜3贴紧金属基底1，使金属基底1的粗糙凹槽或空穴形成封闭空间，构成粗糙空穴2，并使聚合物薄膜在径向绷紧形成张力。此时，聚合物薄膜3相当于形成绷紧的“鼓面”，而粗糙空穴2为“鼓”的空腔。偏置电压电路6中偏置电压的数值可以根据金属基底1表面工艺、薄膜材料和厚度以及超声换能器的中心频率和带宽等因素决定，通常为几十伏到几百伏稳态电压偏置。
偏置电压电路6和相控阵延时激励电路12部分或全部集成在超声换能器外部，通过电缆与超声换能器连接。
金属基底1中的多个环形阵元11表面通过机械加工、激光打孔或刻蚀或化学腐蚀获得粗糙凹槽或空槽，这些粗糙凹槽或空槽的尺寸为微米量级。通过偏置电压电路6和电极4将金属基底1与聚合物薄膜3贴近，形成粗糙空穴2。
环形阵元11由独立的换能器晶片构成。环形阵元的数量为2n，其中n为自然数，优选的，环形阵元11数量大于8个。多个环形阵元11中各个环形阵元11的面积相同；各个环形阵元之间的间距相同。也就是各个环形阵元间隔的径向尺寸是相同的。
在各个环形阵元11之间填充的绝缘材料10为环氧树脂、聚氯乙烯(PVC)或尼龙中的一种，用于在各阵元与电极间形成电磁隔离。绝缘材料还可以作为声学耗散材料起到隔离阵元间的振动或声耦合的作用。
聚合物薄膜3表面镀的电极4，并根据蒸镀工艺覆盖在金属基底之上，电极材料为低电阻率导电材料。其中，电极可以是铝电极、银电极、石墨电极或石墨烯电极等。
聚合物薄膜3由柔性绝缘材料构成，可以是聚氯乙烯(PVC)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等材料构成，厚度在0～50微米之间。聚合物薄膜3也可以是电绝缘材料。
本发明提供的电容式环形动态聚焦空耦超声换能器具有结构相对简单，加工制造成本低，可以实现尺寸较小阵元以及实现动态聚焦等优点。用其作为空耦超声相控阵的换能器可以实现空耦动态无损检测，提高检测速度和分辨率。
图3为本发明实施例提供的一种电容式环形动态聚焦空耦超声换能器，如图3所示，该电容式环形动态聚焦空耦超声换能器，由多个环形阵元11构成的环形金属基底1、设置在环形金属基底1之上的聚合物薄膜3和镀在聚合物薄膜之上的电极4；环形金属基底1与聚合物薄膜3之间包括粗糙空穴2；多个环形阵元11之间填充绝缘材料10。
本发明提供的电容式环形动态聚焦空耦超声换能器具有结构相对简单，加工制造成本低，可以实现尺寸较小阵元以及实现动态聚焦等优点。用其作为空耦超声相控阵的超声换能器可以实现空耦动态无损检测，提高检测速度和分辨率。
图4为本发明实施例提供的电容式环形动态聚焦空耦超声换能器形成的声场效果示意图，如图4所示，图4显示了电容式环形动态聚焦空耦超声换能器形成的环形聚焦相控阵声场声压分布，该声场沿上述超声换能器对称轴r对称分布，沿对称轴距离超声换能器表面距离为z轴，声场声压单位为dB，并使用最高声压值进行归一化处理，声压大小由灰度表示，白色为最高声压处，黑色为声压值最小处。
图4中(a)为设置各阵元聚焦位置为距离表面40mm处，图4(b)为设置各阵元聚焦位置为距离表面150mm处，图4(c)为设置各阵元聚焦位置为距离表面200mm处。
从图4中辐射声场声压分布数值仿真结果可以看出，在聚焦点附近，环形相控阵辐射声场在轴向聚焦在设置的相应距离上。通过对相控阵延时电路施加相应的聚焦法则控制各阵元的激励信号，各相控阵阵元激励信号的初始相位不同，因此将轴向声场聚焦在相应的聚焦距离上。
通过上述图4可知，电容式环形动态聚焦空耦超声换能器根据激励信号延迟时间设置可以实现声场动态聚焦，经数值仿真结果验证声场具有动态聚焦效果。本发明充分融合了传统电容式空耦换能器和超声相控阵的优点结合环形菲尼尔阵列形式加以完备，可以在空气中实现超声频段的声场动态聚焦，
本发明提供的电容式环形动态聚焦空耦超声换能器具有结构相对简单，加工制造成本低，可以实现尺寸较小阵元以及实现动态聚焦等优点。用其作为空耦超声相控阵的换能器可以实现空耦动态无损检测，提高检测速度和分辨率。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电容式环形动态聚焦空耦超声换能器，包括金属基底(1)，金属基底(1)上表面通过加工有粗糙空穴(2)，粗糙空穴(2)覆盖有聚合物薄膜(3)，聚合物薄膜(3)上表面镀有电极(4)；其特征在于，金属基底(1)由多个环形阵元(11)构成，各个环形阵元(11)分别连接相控阵延时激励电路(12)的一端，相控阵延时激励电路(12)的另一端与偏置电压电路(6)的一端连接，偏置电压电路(6)的另一端分别连接电极(4)和地线(8)；其中，
多个环形阵元(11)形成环形聚焦相控阵，用于发射声波；偏置电压电路(6)用于通过静电作用使聚合物薄膜(3)与金属基底(1)贴紧构成粗糙空穴(2)；相控阵延时激励电路(12)用于对各个环形阵元(11)进行激励并产生多个偏置信号，多个偏置信号与偏置电压电路混合形成所述超声换能器的激励信号。
2.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述多个环形阵元(11)数量为2n，所述n为自然数。
3.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述聚合物薄膜(3)由柔性绝缘材料构成。
4.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述电极(4)的材料为低电阻率导电材料。
5.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，通过将所述金属基底(1)表面机械加工、激光打孔或刻蚀或化学腐蚀获得粗糙凹槽或空槽；并通过所述偏置电压电路(6)和所述电极(4)将所述金属基底(1)与聚合物薄膜(3)贴近，形成所述粗糙空穴(2)。
6.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述多个环形阵元(11)之间填充绝缘材料(10)；所述绝缘材料(10)为环氧树脂、PVC或尼龙材料中的一种，用于在各环形阵元(11)与电极(4)间形成电磁隔离以及隔离多个环形阵元间的机械振动或声耦合。
7.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述偏置电压电路(6)和所述相控阵延时激励电路(12)部分或全部集成在所述超声换能器外部，通过电缆与所述超声换能器连接。
8.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述相控阵延时激励电路(12)为超声相控阵仪器或多通道信号发生器。
9.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述多个环形阵元(11)中各个环形阵元的面积相同；各个环形阵元之间的间距相同。
10.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述超声换能器辐射声场的中心频率范围为20kHz～2MHz。
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