CN110404188B - 聚焦集声系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种聚焦集声系统，属于超声技术领域，其可解决现有的超声换能器的焦域处声压低的问题。本发明的聚焦集声系统包括高压舱，用于容纳被加压的传声媒质；加压供液组件，用于向所述高压舱内提供加压的传声媒质；超声换能器，设置在所述高压舱的内部，用于发射超声波；其中，所述超声换能器包括：多个从发声面发射超声的超声发射单元，发声面内部形成腔体，所述腔体表面具有反射超声波的功能，所述腔体为共振腔；所述超声发射单元发出的超声波，与腔体表面反射的反射波能形成驻波，并聚焦于所述超声发射单元的焦域。
Description
技术领域
本发明属于超声技术领域，具体涉及一种聚焦集声系统。
背景技术
超声波聚焦后可以获得一个能量高度集中的区域，该区域称为焦域。利用这一特性，中国已率先将该技术开发为高强度聚焦超声肿瘤治疗设备，并运用于临床开展肝肿瘤、肾肿瘤、骨肿瘤、子宫肌瘤等良恶性肿瘤的治疗，在治疗安全性、有效性、经济性方面取得良好的效果，逐步形成一个新的微无创治疗技术方向。
为了研究更高的声压，以对超声换能器中的空化区域进行约束，现有的超声波聚焦方式，例如，球壳式聚焦、透镜聚焦、反射镜聚焦、相控聚焦等均属于行波聚焦方式。行波聚焦方式达到的最高声压为107Pa量级(连续波)，最小焦域尺寸为波长量级，因此焦域能量很难进一步提高。
但是，现有技术中，还没有一种能够进一步提高焦域声压的聚焦集声系统。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种提高焦域声压的聚焦集声系统。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种聚焦集声系统，包括：
高压舱，用于容纳被加压的传声媒质；
加压供液组件，用于向所述高压舱内提供加压的传声媒质；
超声换能器，设置在所述高压舱的内部，用于发射超声波；
其中，
所述超声换能器包括：多个从发声面发射超声的超声发射单元，发声面内部形成腔体，所述腔体表面具有反射超声波的功能，所述腔体为共振腔；所述超声发射单元发出的超声波，与腔体表面反射的反射波能形成驻波，并聚焦于所述超声发射单元的焦域。
优选的是，所述腔体的形状为球形或球形的一部分，所述超声发射单元的焦域为所述腔体的球心位置。
优选的是，所述球形的直径大于或等于800mm。
优选的是，所述加压供液组件包括：传声媒质处理单元、储水箱、增压单元；其中，
所述传声媒质处理单元与所述高压舱和储水箱连接，用于对传声媒质进行处理，并将处理后的传声媒质传输给高压舱或储水箱；
所述增压单元的一端连接所述储水箱，另一端连接所述高压舱，所述增压单元用于向所述高压舱提供加压的传声媒质。
优选的是，所述传声媒质处理单元用于对传声媒质进行脱气处理。
优选的是，所述聚焦集声系统还包括：电磁阀；其中，
所述传声媒质处理单元、所述增压单元通过所述电磁阀与所述高压舱连接，所述电磁阀用于控制所述传声媒质处理单元、所述增压单元是否与所述高压舱连接。
优选的是，所述聚焦集声系统还包括：中控台，其分别与所述增压单元、所述电磁阀、所述高压舱连接，用于控制所述增压单元、所述电磁阀、所述高压舱是否工作。
优选的是，所述聚焦集声系统还包括：
供电组件，其与所述超声换能器电连接，用于为所述超声换能器提供电能。
优选的是，所述聚焦集声系统还包括：检测组件，用于检测所述超声发射单元的焦域的声压。
优选的是，所述超声换能器耐受的静水压大于或等于10MPa。
本发明具有如下有益效果：
由于本发明中的超声换能器是设置在高压舱中的，且该高压舱中容纳有加压的传声媒质，也即高压舱中具有很强的压强，因此，本发明中的超声换能器是在高压舱中的高压环境下发射超声的，从而提高空化区域的空化强度。同时，本发明中的超声换能器腔体的内表面既是超声发射面又是声波的反射面，通过超声换能器频率跟踪与补偿、相位控制，超声波发射与反射实现了声波共振聚焦，即能在腔体中实现稳定的驻波聚焦声场和亚波长精细焦域，从而进一步提高空化区域的空化强度，使得焦域处的声压可提高至109Pa及以上量级稳态超高声压，以为科学研究提供新的研究平台。
附图说明
图1为本发明的实施例1的聚焦集声系统的结构示意图；
其中附图标记为：1、传声媒质处理单元；2、储水箱；3、增压单元；4、供电组件；5、光纤检测装置；6、照明组件；7、采集组件；8、水下运动组件；9、超声换能器；10、高压舱；11、激光检测装置；12、电磁阀；13、中控台。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供一种聚焦集声系统，包括：高压舱10、加压供液组件、超声换能器9；其中，高压舱10用于容纳被加压的传声媒质；加压供液组件用于向高压舱10内提供加压的传声媒质；超声换能器9设置在高压舱10的内部，用于发射超声波；其中，超声换能器9包括：多个从发声面发射超声的超声发射单元，发声面内部形成腔体，腔体表面具有反射超声波的功能，腔体为共振腔；超声发射单元发出的超声波，与腔体表面反射的反射波能形成驻波，并聚焦于超声发射单元的焦域。
由于本实施例中的超声换能器9是设置在高压舱10中的，且该高压舱10中容纳有加压的传声媒质，也即高压舱10中具有很强的压强，因此，本实施例中的超声换能器9是在高压舱10中的高压环境下发射超声波的，从而提高空化区域的空化强度。同时，本实施例中的超声换能器9的腔体的内表面既是超声发射面又是超声波的反射面，通过超声换能器9频率跟踪与补偿、相位控制，超声波发射与反射实现了声波共振聚焦，即能在腔体中实现稳定的驻波聚焦声场和亚波长精细焦域，从而进一步提高空化区域的空化强度，使得焦域处的声压可提高至109Pa及以上量级稳态超高声压，以为科学研究提供新的研究平台。
其中，本实施例优选的，超声换能器9的腔体的形状为球形或球形的一部分，超声发射单元的焦域为腔体的球心位置；进一步优选的，该球形的直径大于或等于800mm。
具体的，超声发射单元发射的超声波穿透超声换能器9的腔体，通过超声换能器9腔体传播至球心位置，经过球心位置后继续传播至腔体表面上，再经腔体表面的反射形成反射波。当超声换能器9的腔体满足共振条件时，即腔体表面形成共振腔时，球心位置处直接聚焦的超声波和反射波的相位相同，因此可以在球心位置处形成声波叠加，使得共振腔内形成强度很高的稳定声场分布，使得球心位置处达到高声压，从而提高焦域的声压。
进一步优选的，聚焦集声系统还设置有：供电组件4，其与超声换能器9电连接，用于为超声换能器9提供电能，以使超声换能器将供电组件所提供的电能转换为超声波，并将超声波发射至腔体内，以形成稳定的高强度亚波长精细焦域。
更进一步优选的，超声换能器9耐受的静水压大于或等于10MPa，该超声换能器9具备耐高静水压的特点，从而达到了抑制空化，提高空化阈值的目的。
其中，本实施例优选的，加压供液组件包括：传声媒质处理单元1、储水箱2、增压单元3；其中，传声媒质处理单元1与高压舱10和储水箱2连接，用于对传声媒质进行脱气处理，并将脱气处理后的传声媒质传输给高压舱10或储水箱2；增压单元3的一端连接储水箱2，另一端连接高压舱10，增压单元3用于向高压舱10提供加压的传声媒质。
具体的，本实施例以传声媒质为水介质为例，对本实施例中的加压供液组件的工作原理进行说明。首先，在对高压舱10进行加压之前，需打开高压舱10的排气阀，以排除其内预先残留的气体；然后，将经过传声媒质处理单元1处理后的水介质传输至高压舱10，此时，观察高压舱10中的液位计的刻度，待高压舱10中的水介质到达预先设定的位置处，停止向高压舱10中传输水介质，其中，该传声媒质处理单元1处理后的介质水溶氧量＜1ppm；最后，将储水箱2中的水介质传输至增压单元3中，以使增压单元3对传输至其内的水介质进行增压处理，并将增压处理后的水介质传输至高压舱10中，以提升高压舱10的静水压，待高压舱10中的静水压增加至预设的压强值后，停止向高压舱10中传输增压处理后的水介质。
其中，本实施例优选的，聚焦集声系统还设置有电磁阀12；其中，传声媒质处理单元1、增压单元3通过电磁阀12与高压舱10连接，电磁阀12用于控制传声媒质处理单元1、增压单元3是否与高压舱10连接。
进一步优选的，为使操作人员更加便于操作本实施例中的聚焦集声系统中的某些部件进行工作，本实施例中的聚焦集声系统还设置有一个操作平台—中控台13，其分别与增压单元3、电磁阀12、高压舱10连接，用于控制增压单元3、电磁阀12、高压舱10是否工作。例如：在对高压舱10进行加压之前，操作人员可以通过中控台13控制高压舱10的排气阀处于打开状态，以排除高压舱10内预先残留的气体，当然，本实施例中的中控台13还可以控制高压舱10内的其他部件的工作，在此不做限定。
更进一步优选的，为便于实时监控本实施例中的超声换能器9的焦域处的声压量级，本实施例中的聚焦集声系统还设置有检测组件；其中，检测组件包括：激光检测装置11、光纤检测装置5，当然，本实施例中的检测组件并不局限于上述的两个检测装置，在此不做限定。
其中，当采用光纤检测装置5检测超声发射单元的焦域的声压量级时，聚焦集声系统还包括：水下运动组件8，用于定位位于超声换能器9中的光纤的位置，以快速对超声发射单元的焦域的最高声压进行检测，同时还可以保证检测结果的准确性。
进一步优选的，为使水下运动组件8能够准确定位光纤位置，本实施例的聚焦集声系统还包括：用于采集光纤的位置的采集组件7，用于为采集组件7提供光照的照明组件6。
综上，由于本实施例中的聚焦集声系统包括高压舱10和设置在高压舱10内的超声换能器9，故超声换能器9的焦域处不仅会受到因其自身发射的超声波所产生的空化，该空化区域还会随着外界高压舱10的压强的增大而不断减小，从而增强空化区域的空化强度，也即提高超声换能器9焦域的声压。
为了更方便理解本实施例的发明意图，以本实施例的传声媒质为水介质为例，对本实施例中的聚焦集声系统的工作原理进行说明。
具体的，高压舱10的加压阶段：首先，操作人员通过中控台13控制高压舱10的排气阀处于打开状态，以排除高压舱10内预先残留的气体；然后，当高压舱10内残留的气体完全排除之后，操作人员通过中控台13控制高压舱10的排气阀处于关闭状态，并控制电磁阀12处于打开状态，使得传声媒质处理单元1与高压舱10连接，以使经过传声媒质处理单元1进行脱水处理后的水介质可通过水管传输至高压舱10内，此时，操作人员可观察高压舱10中的液位计的刻度，待高压舱10中的水介质到达预先设定的位置处时，通过中控台13控制电磁阀12处于断开状态，以使传声媒质处理单元1不再向高压舱10中传输水介质；最后，操作人员通过中控台13再次控制电磁阀12处于打开状态，此时，储水箱2通过增压单元与高压舱10连接，而传声媒质处理单元1并没有与高压舱10连接，以将储水箱2中的水介质传输至增压单元3中，以使增压单元3对传输至其内的水介质进行增压处理，并将增压处理后的水介质传输至高压舱10中，以提升高压舱10的静水压，待高压舱10中的静水压增加至预设的压强值后，操作人员通过中控台13控制电磁阀12处于断开状态，以使增压处理后的水介质不再向高压舱10中进行传输，此时完成对高压舱10的加压步骤。
高声压形成阶段：打开供电组件4，以使供电组件4向超声换能器9提供电能，此时，超声换能器9中的转换单元会将电能转换为超声波，超声波发射单元将转换的超声波进行发射，由于超声发射单元具有反射功能，故球形的超声换能器9中的超声波会不断发生反射，其中，在球形超声换能器9的球心处，也即焦域处汇集的超声波最多，此时，超声换能器9中会自发产生空化，且该空化区域的声压最大。此时，若想增大空化区域的声压，可以通过增加高压舱10的静水压，或者提高供电组件4提供给超声换能器9的电能，也就是说，本实施例中的超声换能器9中的空化区域的声压是可控制，且可调整的。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种聚焦集声系统，其特征在于，包括：
高压舱，用于容纳被加压的传声媒质；
加压供液组件，用于向所述高压舱内提供加压的传声媒质；
超声换能器，设置在所述高压舱的内部，用于发射超声波；其中，
所述超声换能器包括：多个从发声面发射超声的超声发射单元，发声面内部形成腔体，所述腔体表面具有反射超声波的功能，所述腔体为共振腔；所述超声发射单元发出的超声波，与腔体表面反射的反射波能形成驻波，并聚焦于所述超声发射单元的焦域。
2.根据权利要求1所述的聚焦集声系统，其特征在于，所述腔体的形状为球形或球形的一部分，所述超声发射单元的焦域为所述腔体的球心位置。
3.根据权利要求2所述的聚焦集声系统，其特征在于，所述球形的直径大于或等于800mm。
4.根据权利要求1所述的聚焦集声系统，其特征在于，所述加压供液组件包括：传声媒质处理单元、储水箱、增压单元；其中，
所述传声媒质处理单元与所述高压舱和储水箱连接，用于对传声媒质进行处理，并将处理后的传声媒质传输给高压舱或储水箱；
所述增压单元的一端连接所述储水箱，另一端连接所述高压舱，所述增压单元用于向所述高压舱提供加压的传声媒质。
5.根据权利要求4所述的聚焦集声系统，其特征在于，所述传声媒质处理单元用于对传声媒质进行脱气处理。
6.根据权利要求4所述的聚焦集声系统，其特征在于，所述聚焦集声系统还包括：电磁阀；其中，
所述传声媒质处理单元、所述增压单元通过所述电磁阀与所述高压舱连接，所述电磁阀用于控制所述传声媒质处理单元、所述增压单元是否与所述高压舱连接。
7.根据权利要求6所述的聚焦集声系统，其特征在于，所述聚焦集声系统还包括：中控台，其分别与所述增压单元、所述电磁阀、所述高压舱连接，用于控制所述增压单元、所述电磁阀、所述高压舱是否工作。
8.根据权利要求1所述的聚焦集声系统，其特征在于，所述聚焦集声系统还包括：
供电组件，其与所述超声换能器电连接，用于为所述超声换能器提供电能。
9.根据权利要求1所述的聚焦集声系统，其特征在于，所述聚焦集声系统还包括：检测组件，用于检测所述超声发射单元的焦域的声压。
10.根据权利要求1所述的聚焦集声系统，其特征在于，所述超声换能器耐受的静水压大于或等于10MPa。
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| CN110404188A (zh) | 2019-11-05 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: No. 359, jingdongfang Avenue, Beibei District, Chongqing 400714 Applicant after: Chongqing Haifu Medical Technology Co.,Ltd. Address before: 401121 No. 1 Pine Road, man Town, Chongqing, Yubei District Applicant before: Chongqing Haifu Medical Technology Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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