CN108543690B - 一种基于流体介质的漏斗状超声波约束装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于流体介质的漏斗状超声波约束装置，包括依次同轴连接的圆锥形波导管和圆柱形波导管，圆锥形波导管和圆柱形波导管内填充流体介质；圆锥形波导管的大端与产生超声波的超声换能器接触，用于超声波的约束和能量聚焦；圆柱形波导管一端与圆锥形波导管的小端连接，另一端与超声波的作用介质接触，用于形成平面波并输出。该波导管的尺寸远小于相同谐振频率的传统换能器，适用于需要小尺寸、大能量的超声应用，并能够进行声波约束以及聚焦。

Description

一种基于流体介质的漏斗状超声波约束装置
技术领域
本发明属于超声波器件，涉及超声波束约束，具体为一种基于流体介质的漏斗状超声波约束装置。
背景技术
超声波被广泛的应用于工业检测和生物医学等领域。目前，所用的超声换能器尺寸受限于其谐振频率，声波辐射面积比较大。在很多细胞实验，动物实验的相关研究工作中，需要超声波探头与作用对象接触面积足够小。现有技术中采用超声变幅杆对超声波进行约束，作用于较小的接触面积上。但超声变幅杆为实心的变径固体，多用于超声焊接等，其频率范围多为几十kHz，且不能很好地实现与对象介质的声匹配。现有变幅杆的材料遵循疲劳强度大、与内部填充物声阻抗率差异大，同时易于加工的原则，常选择铝，铝合金等。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于流体介质的漏斗状超声波约束装置，结构简单，设计合理，能够对超声波进行约束以及聚焦，形成相同谐振频率下较小的声源面。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于流体介质的漏斗状超声波约束装置，包括依次同轴连接的圆锥形波导管和圆柱形波导管，圆锥形波导管和圆柱形波导管内填充流体介质；圆锥形波导管的大端与产生超声波的超声换能器接触，用于超声波的约束和能量聚焦；圆柱形波导管一端与圆锥形波导管的小端连接，另一端与超声波的作用介质接触，用于形成平面波并输出。
优选的，圆锥形波导管的大端设置有与超声换能器连接的连接部件。
优选的，流体介质采用水和硅胶中的至少一种。
优选的，圆锥形波导管和圆柱形波导管采用铝和铝合金中的一种。
优选的，圆柱形波导管的长度h等于传输超声波的五至六个波长。
优选的，超声波在圆锥形波导管内全反射传输。
优选的，圆柱形波导管的半径a的取值范围为
Figure BDA0001598360660000021
其中，c0为流体介质中的声速，f超声波的频率。
优选的，圆锥形波导管的高度H的取值由如下公式得到，
Figure BDA0001598360660000022
其中，θ为满足流体介质和空气间全反射要求的入射角；a为圆柱形波导管的半径，即小端半径；b为大端半径
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明将超声波经圆锥形波导管约束到一个圆柱形波导管中，形成一个新的声源，并且以圆柱形波导管的这个面作为新的声源，实现声源尺寸的减小以及声能量聚焦。该波导管的尺寸远小于相同谐振频率的传统换能器，适用于需要小尺寸、大能量的超声应用，尤其适用于需要待接触面积极小的情况。由于传声介质为粘滞损耗小的非固体的流体介质，可设置为水或者硅胶，与水、硅胶、以及与作用对象的介质具有良好的声阻抗匹配的材料。相比现有技术的变幅杆，能够进行声波约束以及聚焦；改善了现有固体介质变幅杆与目标作用介质接触时，不能很好的实现声匹配的弊端，同时弥补了在部分生物实验中，由于超声探头过大，无法更好地实现超声作用的缺点。
附图说明
图1为本发明所述装置的结构剖视图。
图2为本发明所述装置的结构示意图。
图3为本发明实例中所述方案的尺寸参数图。
图4为本发明实例中所述方案的仿真声压图。
图5为本发明实例中所述方案的仿真声强图。
图中：圆锥形波导管1、圆柱形波导管2、连接部件3。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种基于流体介质的漏斗状超声波约束装置，能够将超声波聚集到小应用面积，通过对超声波进行约束以及聚焦，形成相同谐振频率下较小的声源面。如图1和图2所示，其包括依次连接同轴设置的圆锥形波导管1和圆柱形波导管2，圆锥形波导管1和圆柱形波导管2内填充了流体介质。圆锥形波导管1实现声波约束和能量聚焦的作用，而圆柱形波导管2可以形成稳定的平面波并输出。圆柱形波导2管要符合截止频率、声源频率和半径之间的关系，圆锥形波导管1要实现声波的全反射问题。圆锥形波导管1的顶端设置有连接部件3。
对于圆柱形波导管2来说。
其半径与它的截止频率有关系，而为了实现波导管只能产生唯一的沿z轴的平面波，声源的频率要低于波导管的截止频率：
Figure BDA0001598360660000031
其中，fc为波导管的截止频率，c0为介质的声速，这里的介质为水，故声速为1450m/s，a为圆柱形波导管的半径。Z轴为圆锥形波导管1和圆柱形波导管2的中轴线。
要保证截止频率大于超声频率f，则圆柱形波导管的半径a的取值范围为
由
Figure BDA0001598360660000032
得到
Figure BDA0001598360660000033
计算可知，当a小于特定的尺寸，可以满足波导管内的声场只存在沿z轴方向的平面波。
为了在圆柱形波导管2内形成稳定的平面波，圆柱形波导管2的长度设置为传输超声波的五至六个波长。
对于圆锥形波导管1来说。
考虑到声波在波导管中的反射以及透射会造成能量衰减，我们把声反射的次数设定在三次，同时要实现全反射，故有
β＝3θ-π；γ＝2π-5θ；
Figure BDA0001598360660000041
其中，θ为入射角，β为二次反射入射角，γ为三次反射入射角，θic为全反射角，c1和c2分别为水和空气的折射率，θ则必须满足
θ∈(64.43°，69.34°)，
Figure BDA0001598360660000042
故圆锥形波导管1高度H∈(17,21.61)。
超声频率设定为f，根据圆柱形波导管理论可知，圆柱形波导管2的半径
Figure BDA0001598360660000043
这里半径用a表示。该装置上端宽度与超声换能器的尺寸一致，这里我们设置上端半径为b。根据圆锥形波导管理论可知，圆锥形波导管的高度H∈(17，21.61)。
图3中，t为连接部件的高度，d为连接部件的上端外壳直径，c为圆柱形波导管的下端外壳直径。外壳材质为铝，中间填充的液体为水。
本优选实例中，以频率为1MHz的超声信号为例，取a＝0.85mm。按照常用换能器尺寸，取b＝9mm，连接部件3高度取t＝10mm，上端外直径d＝22mm，下端外直径c＝5.7mm，由圆锥形波导管高度公式得H＝20mm。如图3所示。
我们利用有限元仿真软件对该实例进行了仿真，将本发明置于水槽中，使其内部填充物质为水，仿真结果如图4和图5所示。
由图4可以看出，声源在经过该装置之后，在圆柱形波导管中形成较好的稳定的平面波，在圆柱形波导管末端形成新的相对较小的点声源，在一定空间范围内，该装置之外形成平面波。
由图5可以看出，从中线角度比较，圆锥形波导管底端的声强幅值要大于声源表面的声强幅值，说明在经过圆锥形波导管的能量聚焦之后声强并没有减弱，可以更好地发挥声源的作用。
本发明适用于超声领域，通过声波约束将声能量更好地约束、聚焦到较小的面积上；可以利用本发明实现超声作用在较小物体上的影响实验，例如在超声的作用下的变化等生物实验；将换能器产生的声波经过本发明的约束后，形成一个新的较小的点声源或平面波声源。

Claims (6)

1.一种基于流体介质的漏斗状超声波约束装置，其特征在于，包括依次同轴连接的圆锥形波导管(1)和圆柱形波导管(2)，圆锥形波导管(1)和圆柱形波导管(2)内填充流体介质；圆锥形波导管(1)的大端与产生超声波的超声换能器接触，用于超声波的约束和能量聚焦；圆柱形波导管(2)一端与圆锥形波导管(1)的小端连接，另一端与超声波的作用介质接触，用于形成平面波并输出；
圆柱形波导管(2)的半径a的取值范围为，
Figure FDA0002234485860000011
其中，c0为流体介质中的声速，f超声波的频率；
圆锥形波导管(2)的高度H的取值由如下公式得到，
Figure FDA0002234485860000012
其中，θ为满足流体介质和空气间全反射要求的入射角；a为圆柱形波导管(2)的半径，即小端半径；b为大端半径。
2.根据权利要求1所述的一种基于流体介质的漏斗状超声波约束装置，其特征在于，圆锥形波导管(1)的大端设置有与超声换能器连接的连接部件(3)。
3.根据权利要求1所述的一种基于流体介质的漏斗状超声波约束装置，其特征在于，流体介质采用水和硅胶中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于流体介质的漏斗状超声波约束装置，其特征在于，圆锥形波导管(1)和圆柱形波导管(2)采用铝和铝合金中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种基于流体介质的漏斗状超声波约束装置，其特征在于，圆柱形波导管(2)的长度h等于传输超声波的五至六个波长。
6.根据权利要求1所述的一种基于流体介质的漏斗状超声波约束装置，其特征在于，超声波在圆锥形波导管(1)内全反射传输。
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