CN112165993A - 流体不可渗透的超声换能器 - Google Patents

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杰伊·道尔顿
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Abstract

本发明提供了一种流体不可渗透的换能器，包括：外壳和换能器头的组件；以及致动器，所述致动器设置在所述外壳中在所述换能器头的后部的后面，且可操作以通过所述换能器头传输声能。换能器头和外壳限定换能器的流体不可渗透的工作部分。

Description

流体不可渗透的超声换能器
背景技术
超声换能器用于广泛的各种应用，例如，在医学成像中，用于施加超声能量以加热或破坏生物体内的组织的程序，以及用于喷射流体滴的过程中。上述情况中的任一个或全部可能需要超声换能器能够将声能聚焦到小焦点。举例来说，使用声学方式产生流体滴的一些方法包括在Ellson的美国专利No.8,544,976和Stearns等人的美国专利No.6,416,164中描述的那些方法，这两篇专利均以引用方式并入本文以用于所有目的。
超声辐射可以通过多种方式聚焦。例如，弯曲表面可用于将声辐射引导或转向到焦点。对于产生流体滴的过程，焦点可设置在流体表面附近。一种这样的技术在Lovelady等人的美国专利No.4,308,547中描述。一些可商购的声换能器通过弯曲表面聚焦声能，这些声换能器包括由Camasonics(英国威尔特郡)、GE/Krautkramer，Sonic Concepts,Inc.(美国华盛顿巴索)以及Sonotec(德国哈勒)，Ultran Group(美国宾夕法尼亚州立学院)制造的一些聚焦的浸入式换能器。聚焦声能的其他方法包括使用菲涅耳透镜，如在例如Quate等人的美国专利No.5,041,849中描述的。各种通用弯曲表面和球形表面换能器用于非破坏性测试(NDT)行业、医疗行业等。如本文中所使用，“浸入式(Immersion)”不但指示用于NDT的浸入式的常规定义(其中换能器部分地或完全地浸入液体耦合流体中)，而且可在更一般的意义上用于包括换能器的任何部分暴露于液体，即换能器的一部分与流体耦合接触的应用。
超声换能器通常包括致动器和聚焦元件，该聚焦元件集中由致动器产生的声能。致动器的一些实例包括压电元件和磁致伸缩元件。在操作中，致动器由超声驱动频率的信号驱动，并在有源物理元件中产生超声振动。这些振动被发射到周围介质中，例如液体或凝胶(例如，水)，并且从那里发射到所关注的结构或介质。例如，在涉及液滴喷射的应用中，声能可以超声振动的形式从换能器通过比如水的声传导流体或耦合流体传输，并且从那里传输到储存器中，液滴从储存器喷射。设计成在浸入液体介质中时主要地或显著地聚焦声能的换能器通常称为浸入式换能器。
聚焦的浸入式换能器采用成形的有源物理元件，该有源物理元件可以包括例如弯曲面，或者可以采用菲涅耳尔透镜或类似结构。在此类情况下，这一面必须由可精确成形为聚焦形状且可容易地将声能传输到液体介质中的材料构成。为此，传统的聚焦的浸入式超声换能器采用硬固化环氧树脂、陶瓷、复合材料或类似材料来形成聚焦透镜的聚焦形状。虽然此类聚焦透镜材料可通过模制或另一净成形制造方法形成，并且虽然在有限的持续时间内大体上防水，但已发现此类材料易于降解，并且当长持续时间暴露于水时，可能倾向于逐渐吸收水，从而导致变形，导致声学特性的改变并最终导致换能器失效。虽然此类换能器可适用于短期浸入应用，但对于要求长期浸入的应用需要更高的精度和耐久性。典型的浸入式换能器，例如用于常规NDT程序的那些换能器，与液滴喷射换能器相比在液体中具有相对较低的占空比，并且不需要随时间推移具有恒定焦距。然而，对于声学液滴喷射应用，装置性能更依赖于聚焦的一致性，尤其是在长浸没时间内的一致性。因此，希望具有一系列换能器，它们在窄范围的聚焦行为内运行，并且尽管换能器在长时间段内浸没但仍保持在该窄范围内。
发明内容
本文中描述的实施例包括换能器，所述换能器包括外壳和换能器头的组件，所述换能器头具有面向前向方向的聚焦透镜，且所述换能器头的后部面向后向方向。所述外壳与所述换能器头连接且在后向方向上延伸，其中致动器设置在所述外壳中所述换能器头的后部的后面，且可操作以在所述前向方向上通过所述换能器头传输声能。如本文中所描述，流体不可渗透性可至少施加到在使用换能器时换能器的不可避免地浸入工作流体中的部分。例如，根据各种实施例，所述换能器头和外壳可限定所述换能器的流体不可渗透的工作部分。流体不可渗透还可包括例如不可渗透水或类似粘性的反应性和非反应性溶剂，或不可渗透普通液体和/或溶剂体系的穿透，所述普通液体和/或溶剂体系包括非极性、极性质子和极性非质子溶剂，并且特别是水/水溶液(包括盐水)、DMSO、乙醇、烷烃、油、表面活性剂等。在一些实施例中，流体不可渗透还包括在常规操作条件下和在升高的温度/压力下(诸如在灭菌程序期间使用的那些)不可渗透蒸汽，例如溶剂蒸汽、水蒸汽、空气或其它类似气体。根据一些另外的实施例，不只换能器的工作部分可以是流体不可渗透的，例如，在一些实施例中，外壳可以完全密封以防止液体侵入。
根据各种实施例，所述外壳和换能器头由一种或多种流体不可渗透、非吸收性固体材料形成，所述材料是例如金属元件、金属合金、陶瓷或类似材料。换能器头和外壳中的任一者或两者可由具有适当声学性能的任何合适的不透水材料形成。材料(如果是单个部分)或组件(如果是多个部分)优选地提供厄米性(hermiticity)和流体(包括但不限于水)不可渗透性，且换能器头优选地具有不过大的声阻抗，即，不会导致高声学损耗和/或增加“振铃(ringing)”，如下文所论述的。合适的材料可包含例如铝、铍、镉、锗、铅、银、锡、钛、锌、锆，上述任一者的合金，或在具有或不具有密封剂、掺杂剂或用于缓解腐蚀、毒性或结构弱点的类似物质的情况下含有上述材料中任一者的合成物。换能器头(或透镜)的材料选择不仅在流体不可渗透性方面，而且在机械性质相对均匀方面都与常规环氧透镜形成对比。换能器头(或透镜)因此在浸没时保持机械均匀性，从而产生在换能器的使用期限内持续存在的良好光束对称性。
外壳和换能器头优选地以产生由公共部分形成的不透水和非吸收性接头的方式联结，例如焊接或钎焊在一起，或以其它方式永久性且不透水地联结。换能器头优选地由能够为高精度应用传输可再现声速的材料形成，因此具有高声速的材料是优选的。替代地，外壳和换能器头的一些部分可以由例如陶瓷或塑料与金属组合的多种材料制成，前提条件是组件不会影响长期厄米性。例如，塑料或陶瓷套筒可以设置在金属外壳周围，或者可在包含换能器头和/或换能器头部件的组件的内部或外部，或者内部和外部两者镀覆金属。
根据各种实施例，外壳和换能器头可由限定工作部分的连续元件形成，其中聚焦透镜直接形成在连续元件的换能器头部分上，且致动器定位在外壳中聚焦透镜后面。
根据一些实施例，聚焦透镜由被构造成聚焦声能的换能器头的凹入部分形成。此凹入部分可由球形声学透镜、柱形声学透镜或其它合适的声学聚焦形状形成。在一些实施例中，聚焦透镜可包括被构造成聚焦声能的衍射声学透镜。限定聚焦透镜的周边部分可以限定换能器头边缘，并且在一些实施例中，衰减层定位在换能器头边缘上，其中衰减层可操作以吸收声能。在一些实施例中，辅助换能器可定位在衰减层上且通过衰减层与换能器分离。
换能器头还可包括设置在聚焦透镜上的匹配层，以用于减少从聚焦透镜通过匹配层传输到介质中的声信号的损失。因此，匹配层可部分地基于换能器旨在要与其一起作用的介质的声学特性来选择。典型的声学介质包括水、水溶液或具有类似于水的粘度的其他流体，以及各种低声损耗凝胶，例如但不限于水/丙二醇基凝胶耦合剂，像SONOGLIDE(华盛顿贝灵汉市Sonotech公司)或SONOGEL(德国巴德坎贝尔德Sonogel Vertriebs GmbH)，或固体干燥耦合剂，像AQUALENE(加拿大专利申请CA2127039A1)。匹配层具有在换能器头的声阻抗与介质的声阻抗之间的声阻抗，通常接近于如下文参考等式1定义的匹配值。匹配层具有对应于在标称频率下通过匹配层的声信号的四分之一波长的奇数倍的厚度。
本文中描述的实施例还包括形成流体不可渗透的换能器的方法。例如，根据各种实施例，流体不可渗透的换能器可通过以下步骤制造：由流体不可渗透的材料形成具有内部腔和开放的第一端的基本上中空的外壳；从由流体不可渗透的材料形成的头元件移除材料以在头元件上形成聚焦透镜；以及将头元件与外壳的第一端联结以形成流体不可渗透的接头。头元件被定位成使得聚焦透镜远离外壳指向，并且致动器可以邻近换能器头插入外壳中。衰减层可邻近聚焦透镜施加到头元件的周边。
形成流体不可渗透的换能器的方法还可包括：由流体不可渗透的材料形成具有内部腔和限定换能器头的封闭的第一端的基本上中空的外壳；从封闭的第一端的外表面移除材料以在封闭的第一端上形成聚焦透镜；以及将致动器邻近换能器头插入外壳中。头元件可包括通过精密加工过程在头元件中形成的凹形声学透镜，且匹配层可施加到聚焦透镜，匹配层具有小于换能器头的第一声阻抗的匹配声阻抗。
本文所述的实施例还包括使用根据本文所述的流体不可渗透的换能器的任一个实施例的流体不可渗透的换能器从流体储存器喷射液滴的方法。具体地，这样的实施例包括将流体不可渗透的换能器的聚焦透镜浸没在声学介质或耦合介质中，该声学介质或耦合介质定位成将声能从换能器耦合到连续供应流体以供液滴喷射的储存器。在一些实施例中，流体储存器和声学介质可为相同流体或可为连续储存器。然而，一般来说，声学介质将是位于换能器与储存器之间的流体或凝胶介质，且储存器将含有与耦合介质分离的不同流体。换能器通过致动器以被配置成使液滴从储存器的流体表面喷射的频率产生声脉冲，并且使声脉冲从致动器经由聚焦透镜且通过声学介质传递到流体储存器。
本文中描述的实施例还包括使用根据本文所述的流体不可渗透的换能器的任一个实施例的流体不可渗透的换能器对结构执行非破坏性声学测试(NDT)的方法。具体地，此类实施例包括将流体不可渗透的换能器的聚焦透镜浸没在与结构流体接触的声学介质中，并且由致动器产生声脉冲且指向结构的被扫描区。对应于被扫描区的声脉冲的回波由相同的换能器以“监听”模式接收或由第二换能器接收，以及基于回波的特性，结构的被扫描区的物理参数。
附图说明
将参考附图描述根据本公开的各种实施例，其中：
图1示出了传统的现有技术超声换能器的简化侧截面示意图；
图2示出了根据本公开的一些实施例的第一流体不可渗透的超声换能器的侧视图；
图3示出了图2的流体不可渗透的超声换能器的侧截面示意图；
图4示出了图2-图3的流体不可渗透的超声换能器的端截面示意图；
图5示出了图2-图4的流体不可渗透的超声换能器的另一侧截面的透视图，其关注致动器和聚焦透镜；
图6更详细地示出了图5的透视图的一部分，其关注致动器；
图7示出了根据本公开的一些实施例的第二流体不可渗透的超声换能器的侧视图；
图8示出了图7的流体不可渗透的超声换能器的侧截面示意图；
图9示出了图7-图8的流体不可渗透的超声换能器的侧截面示意图，其关注致动器和聚焦透镜；
图10示出了根据本公开的一些实施例的第三流体不可渗透的超声换能器的侧视图；
图11示出了图10的流体不可渗透的超声换能器的侧截面示意图；
图12示出了根据本公开的一些实施例的采用匹配层的浸入式换能器的工作部件的简化示意图；
图13示出了根据本公开的一些实施例的采用多个匹配层的浸入式换能器的工作部件的简化示意图；
图14示出了根据本公开的一些实施例的采用衍射聚焦透镜的浸入式换能器的工作部件的简化示意图；
图15示出了根据一些实施例的具有聚焦透镜的相对大的聚焦区域的弯曲聚焦透镜的简化侧视示意图；
图16示出了由弯曲聚焦透镜(类似于图15中所示的弯曲聚焦透镜)引起的回波信号的图形说明；
图17示出了根据一些实施例的具有外部吸收层和聚焦透镜的相对小的聚焦区域的弯曲聚焦透镜的简化侧视示意图；
图18示出了由弯曲聚焦透镜(类似于图17中所示的弯曲聚焦透镜)引起的回波信号的图形说明；
图19示出了根据各种实施例的用于具有不同孔径尺寸的换能器的回波信号的图形说明；
图20示出了根据各种实施例的与具有不同孔径尺寸的换能器相关联的声束大小的图形说明；
图21示出了根据实施例的用于生成用在流体不可渗透的超声换能器中的聚焦透镜的示例性系统；
图22示出了根据实施例的用于生产流体不可渗透的超声换能器的第一示例性过程；
图23示出了根据实施例的用于生产流体不可渗透的超声换能器的第二示例性过程；
图24示出了根据实施例的用于生产流体不可渗透的超声换能器的第三示例性过程；
图25是示出了根据流体不可渗透的换能器的回波延迟的回波振幅的图表，该回波振幅用于估计对应于换能器的焦距的特征飞行时间(ToF)；以及
图26是示出了横跨流体不可渗透的换能器的焦平面的回波振幅的等高线图，该回波振幅用于估计焦平面处的声束形状和对称性。
具体实施方式
在以下描述中，将描述各种实施例。出于解释的目的，阐述了具体的配置和细节，以便提供对实施例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员还将显而易见的是，可以其它配置或者无需具体细节来实践实施例。此外，可以省略或简化熟知的特征，以便不会使所描述的实施例模糊不清。
本文中描述的超声换能器的实施例包括采用流体不可渗透的换能器头的浸入式超声换能器。流体不可渗透的超声换能器还可以包括流体不可渗透的壳体，该流体不可渗透的壳体可以是形成壳体和聚焦透镜的整体部分，并且致动器和相关的电气部件也包含在其内。在这样的情况下，流体不可渗透的壳体和聚焦透镜可由相同的流体不可渗透部分形成。聚焦透镜上还可包括匹配层，该匹配层改进声能从聚焦透镜到液体介质的传输。
根据一些实施例，超声换能器外壳可包括流体不可渗透的换能器头，该换能器头包括聚焦透镜，该聚焦透镜上包括聚焦装置，所述换能器头例如通过焊接、烧结或类似的防水的附接装置永久性固定到流体不可渗透的外壳。致动器设置在外壳内部且邻近换能器头的后部，与聚焦透镜相对，使得致动器可在由驱动信号激活时驱动振动进入且通过换能器头。致动器可包括例如任何合适的机电致动器，例如但不限于压电致动器。
如本文所述的流体不可渗透可包括例如不可渗透水或类似粘性的反应性和非反应性溶剂，或不可渗透普通液体和/或溶剂体系的穿透，所述普通液体和/或溶剂体系包括非极性、极性质子和极性非质子溶剂，并且特别是水/水溶液(包括盐水)、DMSO、乙醇、烷烃、油、表面活性剂等。在一些实施例中，流体不可渗透还包括在常规操作条件下和在升高的温度/压力下(诸如在灭菌程序期间使用的那些)不可渗透蒸汽，例如溶剂蒸汽、水蒸汽、空气或其它类似气体。
在一些实施例中，如本文所述的流体不可渗透的换能器在可能另外从本公开设想的超出正常大气条件的范围的广泛的状态下保持流体不可渗透。在正常的实验室压力和温度以及升高的压力和温度下，流体(包括蒸气)不可渗透性是期望的，因为这些是可能将渗透剂推进到换能器中的因素。例如，在使换能器易于灭菌方面有可观的实用性，并且因此至少一些实施例在至少高压灭菌器灭菌条件(例如，在超过2个优选地超过3个大气压下，约130℃)下不可渗透液体和/或蒸汽，而不会引起性能的任何可检测的变化。换能器的性能标准可包括但不限于焦距、效率、声束形状或偏心度、对入侵或其它环境因素的适应性、随着时间推移操作的一致性和/或信噪要求。根据一些实施例，与换能器相关联的任何连接器(例如，RF连接器等)可在暴露于盖内的极端条件期间密封；或可被设计成通过使用标准高压/高温气密RF连接器设计和激光焊接技术将该连接器联结到换能器外壳来在极端压力和高温下浸入流体中。
超声换能器的聚焦透镜可成形为聚焦声能。在一些具体实施例中，聚焦透镜可具有凹形的球形、抛物形、柱形或其它聚焦形状。聚焦透镜可通过模制、浇铸、精密加工、三维打印、流动旋压、涂覆、蚀刻或其它合适的成形或形成方式或其组合来成形。根据一些实施例，聚焦透镜上还包括匹配层。匹配层由具有声阻抗的材料薄层形成，所述声阻抗在聚焦透镜的声阻抗和液体介质的声阻抗之间，并且被配置成根据聚焦透镜、匹配层和液体介质的材料之间的阶跃过渡来传输声能，以便降低总过渡损耗。
换能器头的后部可通过环氧树脂或烷氧基硅烷或其它适当稳固的永久性粘合剂联结到致动器，使得由致动器引起的振动可靠地传输到换能器头中且离开聚焦透镜传递到通常是耦合剂的相邻材料中，从而朝其焦点传送声能。
根据一些实施例，致动器可夹在换能器头的后部与背衬材料之间，这有助于将声能从致动器向前引导通过换能器头并进入液体介质中，并且有助于吸收朝致动器层的后部行进的声能，从而抑制致动器中的混响，降低回波并产生更清晰的信号。例如，在一些实施例中，背衬材料可以包括声散射材料，例如铜、铟铅、二氧化钛、钨，或这些或类似材料的组合。并且，在一些实施例中，背衬材料中的声学吸收材料可以是环氧树脂、聚氨酯、硅酮或类似材料的组合。散射材料和吸收材料都可以作为粒子存在并且分散在声学吸收材料的基质内。致动器可由永久性粘合剂(例如，热固性环氧树脂等)的薄层联结到换能器头和背衬材料中的一者或两者。
背衬层以及尤其是其均匀性可影响换能器的总体性能。具体地，对于包括多于一种组分的背衬层组成，组分的空间分布可以是一个重要考虑因素。例如，对于包括悬浮在声学吸收材料中的声散射材料的背衬层，在两者之间存在显著的密度差异时，在制造期间必须小心保持均匀性以避免由于其中一种组分变得对另一种组分的运动有更大的抵抗力而造成的沉降，例如由于交联、冷却、胶凝化、聚合或在形成期间可能发生的其他过程。可通过各种制造方法实现背衬层材料的均匀性。例如，可通过诸如制造期间翻转的方法来在背衬层材料内的密度差异足够大以在组分之间产生相对运动时缓解可导致不均匀分布的浮力。
致动器可为任何合适的机电致动器，例如压电致动器。在具体实施例中，致动器是压电盘，例如但不限于薄陶瓷压电元件。此类元件包括具有与其结合的阳极和阴极的薄压电陶瓷元件，其中阳极和阴极中的一个由覆盖中心的薄导电圆盘形成，并且圆盘表面的一些或大部分在陶瓷元件的一侧，而阳极和阴极中的另一个由围绕致动器的一侧缠绕到致动器圆盘的背面的另一薄导电圆盘形成。与阳极和阴极的电连接由形状为柱形环的绝缘材料制成的导体环提供，该导体环位于致动器的背面上。导体环具有电子导电迹线，例如铜，所述导电迹线涂覆内表面和外表面。导体环位于陶瓷元件的边缘上或周围，且通过任何合适的方法(例如导电环氧树脂、焊接或类似方法)与阳极和阴极导电盘电连接。因此，当经由导体环向阳极和阴极供应电驱动信号，例如短脉冲或短纯音(tone-burst)波形时，陶瓷元件充当隔板且根据驱动信号振动。合适的压电陶瓷元件包括但不限于钛酸钡、聚偏氟乙烯、锆钛酸铅组分、钛酸锂、氧化锌、氮化铝和类似材料。
下文参考图式详细描述具体实施例。
图1示出了传统超声换能器100的简化侧截面示意图，该传统超声换能器包括外壳102和插入外壳中邻近致动器116的换能器头104。换能器头104可由例如模制环氧树脂、硅酮或其它类似材料形成。换能器头104具有在换能器头与外壳102之间的接口108，其中换能器头理论上大小设定成防止液体在换能器头与外壳之间入侵；然而，随着时间推移，换能器头104可吸收液体并降解，或可变形使得液体可通过接口。这种吸收或降解可最终允许液体侵入到致动器116，或可使换能器头104从致动器剥离。换能器头104的变形表现为焦距随时间推移漂移，或者由换能器头产生的波束图漂移。类似地，剥离可导致从致动器116到换能器头104的声传输的功率效率和/或均匀性随时间推移显著损失。
与图1的传统超声换能器100相比，图2示出了液体不可渗透的超声换能器200的实例，该液体不可渗透的超声换能器不易于由于液体吸收而随时间推移劣化。液体不可渗透的超声换能器200包括外壳202和换能器头204。外壳202包括永久性联结的换能器头部段202a和主体部段202b。用于密封外壳202的合适的联结技术可包括例如焊接(激光焊接、摩擦焊接等)或类似方法，从而产生流体不可渗透的接头242(图3)。在一些情况下，外壳202可以是单个整体部分，如下文将参考其它实施例讨论的。外壳202和换能器头204形成换能器的工作部分，该工作部分完全不可渗透流体并保护外壳的内容物免受水入侵。
换能器头204由外壳202的面向前的部分(面向前含义是在预期声能传输的方向上)形成。从外部可见的换能器200的其它部件包括用于将换能器电连接到信号源(未示出)的连接器208，该连接器可在例如螺母210处与外壳202连接，该螺母永久性地附接在外壳202和连接器208周围以为用户提供调整换能器的位置的处理手段。包含电子部件的外壳202还可用罐封材料(例如环氧树脂)回填，该罐封材料可经由外壳中的空隙206插入。参考平面(3)和(4)分别是指图3和图4中所示的截面视图。
图3示出了图2的流体不可渗透的超声换能器200的侧截面示意图，该示意图关注其内部细节。外壳202包括换能器头204，该换能器头包括由窄换能器头边缘214界定的凹形聚焦透镜212。聚焦透镜212包括跨越全部或大部分透镜表面设置的薄声学匹配层。下文参考图9和图12-图13更详细地讨论匹配层，例如，匹配层370(图9)。
与凹形聚焦透镜212相对，换能器头后部216与致动器222连接在一起，该致动器为压电圆盘。致动器222包括正电极226和负电极228，其中正电极朝向内腔218横跨致动器的中心布置，且负电极围绕致动器的周边并朝向换能器头204横跨致动器布置成环，如下文参考图6进一步论述的。将理解，这种电极布置对一类致动器是特别的，并且本公开涵盖可具有不同布置的电极的机电致动器。此外，在替代实施例中，致动器222可以是与压电致动器不同类型的致动器，例如磁致伸缩致动器(magnetorestrictive actuator)、音圈致动器或其它类似的机电致动器。
致动器222被联结或结合到换能器头后部216，使得致动器可以通过换能器头204施加振动。根据一些实施例，致动器222由例如高强度环氧树脂或类似材料层的粘合剂结合到换能器头后部216。结合优选地通过薄且基本上均匀的粘合剂层实现，以便使声能从致动器到换能器头的耦合最大化，同时最小化剥离的可能性。致动器222还与背衬材料224连接在一起，该背衬材料包括加载的基质。背衬材料224由一种或多种材料构成，该材料具有合适的质量以在致动器正操作时抵靠换能器头后部216将致动器222牢固地保持就位，并且具有合适的声阻抗以有效地阻隔通过外壳202返回的混响，以便最小化或防止回波效应干扰在致动器处生成的声信号。根据一些实施例，背衬材料224的声阻抗为大约15Mrayl(兆瑞利)。在各种实施例中，背衬材料224的声阻抗可例如从约13.5Mrayl变化到约16.5Mrayl，或从约8Mrayl变化到约28Mrayl。背衬材料224可由任何合适的吸声物质(诸如环氧基质)构成。在具体实施例中，背衬材料224是由浸渍有一种或多种陶瓷和/或金属材料或颗粒的阻尼聚合物基质形成的复合材料，例如浸渍有铜、碳化硅、二氧化钛、钨等的环氧基质。
背衬材料中的颗粒的特定浓度和组成可改变以调节声阻抗。背衬材料的理想声阻抗通常在为压电材料的声阻抗的最大值与为最大值的约三分之一的最小值之间。声阻抗的更紧密匹配产生更高的效率，尽管有更加明显的混响；但增大阻抗的差距以效率为代价降低了混响。因此，背衬材料的特定声阻抗可部分地基于换能器预期的特定应用而选择，所述特定应用的范围从混响可接受的高功率应用到混响应当被最小化的高精度应用。根据一些实施例，背衬层可以由多于一种材料形成，并且可以包括悬浮在声学吸收材料中的声学散射材料的颗粒。此类背衬层优选地是声学均匀的。这种均匀性可通过制造背衬层使得颗粒分布在整个背衬层中也是均匀的来实现。
背衬材料224基本上填充致动器222正后方的空间，其中的通道和空隙用于容纳到致动器222的电连接。根据一些实施例，导电环220围绕背衬材料224定位以用于接触致动器222的外部部分。正电路226和负电路228在其中连接以将电信号传输到致动器222的正电极230部分和负电极232部分，如下文将参考图4-图6更详细地展示的。根据一些实施例，导电环220的外部部分220b可用作负电极232的接触元件，且导电环的内部部分220a可用作正电极230的接触元件，其中导电环的剩余部分使内部部分与外部部分绝缘。然而，应理解，此布置可相反。由正电路226和负电路228携带的电信号可被控制、调节且通过信号板236内的电子器件引导到电路。信号板236通过电插针238和插座240可操作地连接到连接器208。下文参考图4描述信号板236的操作的具体细节。
外壳202内部的腔218中的剩余空间可用惰性密封剂材料(例如环氧树脂)填充，该惰性密封剂材料可操作以将内部部件固定在外壳202内部。此密封剂还可在换能器200的连接器端暴露于液体或浸没时防止水侵入腔218中。腔218可经由空隙206(图2)填充，该空隙远离聚焦透镜212定位，且因此远离在使用中换能器浸入其中的工作流体定位。
图4示出了图2-图3的流体不可渗透的超声换能器200的端截面示意图，且具体地是示出了信号板236的截面。如图所示，信号板236包括电气匹配网络246，该电气匹配网络可以包括电感器(未示出)，并且将正电路226的阵列连接在一起。正电路226以此方式布置在一起，以在换能器200操作时提供跨越致动器222的整个正电极230的可靠信号传输。信号板236还包括空隙252以用于穿过负(或接地)电路228(图2)的阵列。负(或接地)电路228类似地排列成以均匀方式接触致动器222的负电极232。网络246可操作地连接到正电路226的阵列，以便将传入电信号更有效地耦合到换能器。网络246优选地为无源电路。根据一些实施例，网络246可以是电感无源电路。
图5示出了根据一些实施例的图2-图4的流体不可渗透的超声换能器200的另一侧截面的透视图，其关注致动器222和聚焦透镜212。夹在换能器头204与背衬材料224之间的致动器222与正电路226的阵列电接触，并且经由导电外环220与负(或接地)电路228的阵列电接触，所述导电外环也在外壳202的内部。致动器222与聚焦透镜212同轴地对准，并且在由换能器头边缘214限定的区域内。负电极232靠近致动器的外边缘围绕致动器222缠绕，而正电极230与致动器222的内部部分连接，如关于图6更详细地示出的。
图6根据一些实施例更详细地示出了图5的透视图的一部分，其关注致动器222、正电极230和负电极232。正电极230和负电极232的厚度可以非常小，即微米或纳米的量级；因此，图6的特征未按比例示出，仅出于说明性目的使电极的厚度可见。电极230、232可由大约300纳米厚的导电材料(例如，金、银、铜、铝或类似材料)形成。致动器222可由压电材料(例如，铌酸锂、钛酸钡、聚偏氟乙烯、锆钛酸铅组分、氧化锌、氮化铝或类似物)形成的薄压电盘组成。为了最大化效率，致动器222的厚度被选择为接近由压电盘中的期望振动中心频率和声速确定的声波波长的一半，但在各种实施例中，厚度可以接近半波长的任何合适的奇数倍。对于高于100MHz的期望频率，最佳厚度可以低于10微米。对于低于1MHz的期望频率，厚度可以超过1毫米。在大约10MHz时，对于典型的压电盘材料，最佳厚度在几百微米的范围内。在一些具体实施例中，例如，对于大约12MHz的设计中心频率，最佳厚度优选地为约275微米(或275微米的奇数倍)。正电极230和负电极232彼此电隔离，其中负电极232缠绕在致动器222的圆周周围，且正电极230占据该圆周内的空间。在致动器与外壳202之间可以存在围绕致动器222的周边定位的空隙或间隙250；并且导电外环220和背衬材料224也可以由导电环空隙248彼此电隔离。可以用电绝缘材料(例如环氧树脂)填充两个空隙250、248。
换能器的各种其它实施例可包括与如上文参考图1-图6所描述的换能器200的那些特征类似的特征，具有外壳和换能器头—面部件的替代组件。在可能的情况下，通篇使用相似的编号来描述具有类似功能的各种换能器的部件。应当理解，除非特别禁止的情况，一个换能器组件的部件可以与本文公开的另一个换能器组件的部件组合，而不偏离本公开的精神。
图7示出了根据本公开的一些实施例的第二流体不可渗透的超声换能器300的侧视图。换能器300包括：外壳302，该换能器具有与上文关于图2-图6的换能器200描述的那些特征相似的外部特征；以及接口308，该接口用于将换能器与信号源可操作地连接。换能器300还包括衰减层350，该衰减层位于外壳302上换能器头304的周边周围并限定孔径透镜312(图8)。注意，在各种实施例中，可以省略衰减层350。与图2-图6的换能器200(其中外壳202和换能器头204联结)相比，换能器300凭借换能器头304为外壳300的整体部分而是不透水的。
图8示出了根据实施例的图7的流体不可渗透的超声换能器300的侧截面示意图。类似于图2-图6的换能器200，换能器300包括位于换能器头304与背衬材料324之间的致动器322，所述致动器头和背衬材料可具有与上文描述的换能器头204和背衬材料224类似的组成和构造。外壳302的内部腔318也可由绝缘和防水填充材料，例如环氧树脂填充。致动器322可以以与上述致动器222和信号板236类似的方式与信号板336可操作地连接。致动器322夹在换能器头304与背衬层324之间，并且由提供到致动器322的电连接的导电环320环绕。对于换能器200和300所示的透镜形状(即，图3中所示的孔径透镜212较大，图7中所示的孔径透镜312较小)不限于在这些相应的外壳类型(图3所示的连接的换能器头/外壳，图7中所示的一体化换能器头/外壳)上使用。除非另外明确说明，否则所描述的每个换能器的结构特征可互换使用。如果需要，透镜的形状和与透镜联接的换能器电极的尺寸可以被调节以控制换能器的声束大小。
换能器300提供了换能器头304与上文参考图2-图6描述的换能器头204相比不同的构造。换能器头304包括限定具有比致动器322的直径小的聚焦形状的聚焦透镜312。此构造与其中聚焦透镜212的直径比致动器222大的换能器头204(图2-图6)形成对比。聚焦透镜312的较小几何形状用以减少换能器头304的材料中的内部声反射的影响，如参考图15-图18所示并且如下文所讨论的。聚焦透镜312涂覆有类似于图2-图6的透镜表面212的匹配层。下文参考图9和图12-图13论述关于匹配层的细节。衰减层350或外部吸收层限定聚焦透镜312，以减少或消除可能原本源自较大的换能器头边缘314的未聚焦振动。
衰减层350位于换能器头304上，具体地位于换能器头边缘314上，邻近并且围绕换能器端面312的周边。衰减层350被构造成防止从换能器头边缘314无意中传输未聚焦或反射的振动。衰减层350中的中心空隙352允许振动以聚焦方式从聚焦透镜312无阻碍地通过衰减层。中心空隙直径354优选地与换能器端面312的大小相同。衰减层350的宽度358优选地比致动器222宽，使得很少或没有未聚焦或反射的振动由致动器从换能器头边缘314传递出来。在一些实施例中，衰减层350可以延伸远至外壳302的边缘。衰减层350的深度356足以提供足够的衰减以吸收来自换能器头边缘314的基本上所有可传输振动。在一些实施例中，衰减层350足够厚(即，具有最小厚度)，足以每次穿过衰减层吸收至少90％的声能(即，降低10dB声能)。在具体实施例中，衰减层350的深度356可以在约0.5mm到5mm的范围内。从致动器322到衰减层350的端部的总深度360可以在约0.6mm到约10mm的范围内。然而，吸收层的厚度优选地选择为衰减至少10dB的最小厚度。
图9示出了图7-图8的流体不可渗透的超声换能器300的侧截面示意图，其关注致动器和聚焦透镜。如图所示，外壳302终止于换能器头304处，该换能器头包括限定换能器端缘314的周边部分以及限定聚焦透镜312的中心部分。衰减层350邻近头面312定位在换能器头边缘314上。衰减层350的宽度358占据换能器头边缘314的宽度360的大部分。在换能器外壳302内，腔318包括致动器322，该致动器抵靠换能器头304压紧，并夹在换能器头与背衬层324之间。负电极或接地电极332位于致动器322上，邻近换能器头304，并且与导电环320一起连接在致动器322的边缘周围。正引线邻近导电环320布线以接触位于致动器322与背衬层324之间的正电极330。匹配层370定位在头面312上以用于改善从头面的声学传输。参考图12-图13更详细地讨论匹配层370。
根据一些替代性实施例，另外的换能器元件可以与上文参考图2-图9描述的换能器中的一个或多个组合设置。例如，图10示出了根据本公开的一些实施例的具有第二换能器元件462的第三流体不可渗透的超声换能器400的侧视图。换能器400包括具有与上文所描述的换能器200、300的外壳202、302类似的特征的外壳402，其中接口408用于将换能器与信号源可操作地连接。换能器400还包括位于外壳402上的双用途背衬和衰减层450以及位于背衬/衰减层上的第二换能器元件462。
图11示出了图10的流体不可渗透的超声换能器400的侧截面示意图，其示出了与图7-图9所示的换能器300的特征和部件类似的特征和部件，并且其中类似的零件具有相似的编号。值得注意的是，第二换能器元件462(其可以包括其自身的致动和聚焦装置(未示出))与背衬/衰减层450连接，该背衬/衰减层与换能器头404连接在一起，使得背衬/衰减层既充当第二换能器元件的背衬层，又充当由主致动器422发射的声能的衰减层。第二换能器元件462可以围绕换能器400的主要聚焦透镜412布置成环，可以与主致动器422结合或独立地操作，并且可以相同或优选地不同的声学频率范围操作。如本文所示的主致动器422和头面412类似于图7-图9中所示的换能器300的致动器322和头面312。根据一些实施例，第二换能器元件462具有与衰减层450的内径452基本上匹配的开放内径464。背衬/衰减层450的厚度456在这里不仅足以衰减由主驱动器422引起的通过主换能器头边缘414的振动，而且还足以隔阻从第二换能器元件462传回的回波。
如上文所论述的换能器的实施例适合于基于在其中提供给致动器的电信号将声波传播到介质中。然而，实施例可包括用于增强声能从致动器到介质的传递的另外特征。主要地，一个或多个匹配层可用于聚焦透镜(例如，头面212、312、412)上以改善能量传输。
图12示出了根据本公开的一些实施例的采用匹配层或匹配层514的浸入式换能器500的工作部件的简化示意图。可结合上文参考图2-图11论述的换能器200、300、400中的每一个的特征使用换能器500的各方面。
换能器500包括换能器头元件510、致动元件530、背衬元件540、背衬腔544以及电气匹配网络或控制元件550。在操作中，可以限定期望的声学输出的电信号通过输入电路554传递到电气匹配网络元件550。此电气匹配网络元件550可以包括合适的电子器件以滤波、衰减、放大或以其它方式校正电信号，以便有效地将输入信号(例如，驱动信号)连接到诸如换能器致动元件530的电负载。根据一些实施例，匹配网络元件550可以包括感应高通电路552，或用于调节输入信号的其它合适的滤波电路。在操作中，匹配网络元件550可以包括简单的高通滤波器，该高通滤波器允许高频电信号在没有显著衰减(例如，对应于声信号的高频驱动信号)的情况下通过，同时滤波低频信号以阻止低频现象。根据各种其它实施例，控制元件550可包括用于衰减来自输入电路554的信号的任何合适的滤波器或滤波器组合。
控制元件550通过互连件538与致动元件530可操作地连接。致动元件530包括致动器536，该致动器可为压电盘或类似的致动器。致动器536在相对侧上连接到正电极534(此处示出为与互连件538连接)和负或接地电极532(其连接到地面或负电路，未示出)。致动器536通过根据驱动信号的频率产生物理振动来响应驱动信号。由换能器头元件510在一侧上界定致动元件530，并且由在背衬腔544中的背衬元件540在相对侧上界定该致动元件。背衬元件540由背衬材料542组成，该背衬材料具有适于在与致动元件530接触时吸收振动并且同时使致动元件530朝向换能器头元件510偏置的组成和/或微观结构。背衬腔544可以是开放的，或者可以用绝缘和/或防水材料填充，以使致动器元件530与水分或其它外部污染物隔离。
换能器头元件510面向介质502，换能器500被构造成将声能引导到该介质中。换能器头元件510包括换能器头512的主体、聚焦透镜518，以及邻近致动器元件530定位的换能器头后部520。聚焦透镜518由定位在换能器头主体512的表面516上的匹配层514组成。换能器头主体512优选地由不吸水的刚性、轻质和无孔材料构成。例如，根据一些实施例，换能器头主体512可以是优选地耐腐蚀的金属或金属合金。在各种实施例中，换能器头的材料可包括但不限于：铝(Al)、铍(Be)、镉(Cd)、碳(C)、铬(Cr)、铜(Cu)、锗(Ge)、金(Au)、铁(Fe)、铅(Pb)、锰(Mn)、钼(Mo)、镍(Ni)、铌(Nb)、磷(P)、铂(Pt)、硒(Se)、硅(Si)、银(Ag)、锡(Sn)、钛(Ti)、钨(W)、钒(V)、锌(Zn)或锆(Zr)，和前述各项中的任何两个或更多个的合金或合成物，包括也可以包含一些非金属或非半金属组分的复合合金(诸如不锈钢)。合适的非金属或非半金属组分可包括例如硅、玻璃、石英或各种陶瓷。换能器头优选地是耐腐蚀性和液体不可渗透的，特别是流体不可渗透的，使得换能器头表面和外壳不仅排斥液体，而且在长时间暴露于液体时抵抗降解或形状变化。在一些实施例中，换能器头材料对于流体耦合剂(例如水)可以是完全惰性的，长期渗透深度为零，并且由于腐蚀造成的重量损失为零。换能器头主体512可与包裹在换能器500的内部部件周围的外壳一体地连接，或者可以包括该外壳。对于完全惰性的材料，可以假设渗透深度和重量损失为零(或者渗透/损失可能是不可测量的)。对于最小反应性材料，可容许的渗透深度和重量损失取决于换能器的目标使用寿命和透镜聚焦特性在该使用寿命内的可接受变化。在一些实施例中，材料重量损失的最大允许值为约每年0.1％或更小。
匹配层514由具有在换能器头主体512的阻抗与介质502的阻抗之间的声学(即机械)阻抗的材料构成。此匹配层514可显著改善声能到介质502中的传输，尤其是在换能器头主体512由具有高阻抗的材料构成时。具有有利腐蚀特性的流体不可渗透金属和金属合金覆盖广泛的声阻抗范围，且具有通常从10到100MRayl的值。优选地，换能器头和外壳材料应被选择成尽可能接近地匹配致动器536的所选压电材料的声阻抗。对于为陶瓷的、声阻抗在大约15到43MRayl范围的典型压电材料，声阻抗在10-100MRayl的较低范围内的流体不可渗透金属和金属合金是优选的以便促进声能传递效率。例如，在换能器头主体512由钒组成的具体实施例中，换能器头主体的预期声阻抗为大约36.2MRayl。
声学匹配层514被选择为促进从换能器头主体512到介质502的声能传递，所述介质通常是例如水、凝胶或另一水溶液的耦合剂。例如，水的声阻抗为约1.5MRayl。声能传递损失在声波从一个介质跨越阶跃声阻抗直接传播到另一介质时发生，其中最佳耦合由单个中间层根据下面的等式1实现，其中Zm是中间层阻抗，Zl和Zc分别是换能器头主体512的阻抗和介质502的阻抗。
Figure BDA0002801580490000161
等式1
根据实施例，匹配层514由被选择为使换能器头主体512与介质502之间的声能传递最大化的材料构成，该材料还适于与换能器头主体的表面516永久性结合，并且同时具有抵抗介质的侵入或降解的弹性。根据换能器头主体512是具有大约36.2Mrayl的声阻抗的钒并且介质是水或具有约1.5Mrayl的声阻抗的类似水溶液的特定实施例，单个中间层的最佳声阻抗为约7.3Mrayl。根据各种实施例，匹配层514由声阻抗为约7.3Mrayl的材料构成。根据一些具体实施例，匹配层514由含氟聚合物(诸如聚偏氟乙烯(PVDF))或具有约4-10Mrayl之间或者在一些情况下约4-5MRayl之间的声阻抗的类似聚合物涂层组成。根据一些其它实施例，匹配层514可由声阻抗在约6-8Mrayl之间的的石墨涂层组成。根据各种实施例，匹配层514具有在约5-10Mrayl、约4-10Mrayl或约6-8Mrayl范围内的声阻抗。在一些具体实施例中，匹配层514具有约4Mrayl的阻抗。根据各种实施例，匹配层可由以下各项中的任一个组成：PVDF、石墨、非晶碳，或聚合物/颗粒复合物，包括但不限于聚合物基质(例如，环氧树脂或类似物)和氧化铝、钨、玻璃或其它类似颗粒物质。
在一些实施例中，通过调谐匹配层514的厚度，来改善聚焦透镜主体512与介质502之间的声能传递的效率。匹配层514优选地使用涂覆技术来施加，所述涂覆技术是例如喷涂、旋转涂覆、溅镀、扩散粘结等，并且随后使其全部具有一致的厚度。匹配层514的厚度可以通过例如加工、压制、自旋或者上述或类似工艺的任何合适的组合来调整。优选地，匹配层514的厚度被调整为匹配对应于换能器500预期在声速下通过中间层的所选材料使用的目标频率的四分之一波长。替代地，匹配层514可具有大约等于3/4波长或四分之一波长的任何其他奇数倍的厚度，使得反射或破坏性干扰被最小化。例如，对于具有约12MHz的目标频率(或标称频率)的超声换能器，合适的匹配层514可具有大约60μm(例如，对于石墨)的厚度。对于给定中间层，换能器可在从对应于目标频率的标称波长值的约-25％变化到标称波长的约+25％的波长下生成聚焦声能。因此，根据一些实施例，具有针对12MHz调谐的厚度的单个中间层的换能器可在高频下适应约9MHz到约15MHz范围内的信号(通常大约10％到20％)，并且可以在该范围外以较低效率使用。例如，流体不可渗透的换能器也可以具有在2到15MHz范围内的标称频率。根据各种实施例，匹配层514的厚度可以在约30到80μm之间变化。在一些实施例中，匹配层514厚度可以从标称厚度变化大约14％或更小。然而，可使用多于一个中间层获得材料选择的进一步灵活性、效率和目标频率。在各种替代实施例中，匹配层厚度可以大致等于对应于目标频率的四分之一波长的标称值的奇数倍。
图13示出了根据本公开的一些实施例的采用多个匹配层614、620的浸入式换能器600的工作部件的简化示意图。如所示的换能器600具有与上文参考图12所述的换能器500的那些特征类似的特征，其中类似的零件被给予类似的编号。对于由具有17到42Mrayl的声阻抗的流体不可渗透金属或金属合金形成的换能器头主体612以及水或具有约1.5Mrayl的声阻抗的任何类似水性物质的介质602，单个中间层的最佳声阻抗将相应地为约5到8Mrayl。然而，声能可从换能器头主体612通过具有第一声阻抗的第一中间层614传递到介质602，且随后通过具有第二声阻抗的第二中间层620，其中第一中间层具有比第二中间层高的声阻抗，并且其中第一中间层和第二中间层满足上文的等式1以相对于彼此优化声能传递。例如，第一中间层614的声阻抗(即，Zm1)在Zl与第二中间层620的声阻抗(即，Zm2)之间，使得满足下面的等式2中的方程系。当组装时，声能从换能器头部主体612传递通过第一中间层614，并且从第一中间层界面618传递到第二中间层620。声能随后传递通过第二中间层620并且离开聚焦透镜622进入介质602中。每个相应的中间层614、620通过每个相应的中间层的所选材料形成相应的厚度，该相应的厚度对应于换能器600的标称频率的四分之一波长，如上文参考单个中间层514(图5)论述的。
Figure BDA0002801580490000171
Figure BDA0002801580490000172
等式2
图14示出了根据本公开的一些实施例的采用衍射聚焦透镜714的浸入式换能器700的工作部件的简化示意图。如所示的换能器700具有与上文参考图12-图13所述的换能器500、600的那些特征类似的特征，其中类似的零件被给予类似的编号。换能器头元件710与上文所述的换能器头元件510、610不同之处在于：所述元件包括限定与换能器头后部716相对的衍射头面714的换能器头主体712。衍射头面714包括根据实施例的可操作以将声能引导到预定焦距的一组衍射红外光栅。
如上文所论述，聚焦透镜(例如，头面212、312、412，图3、图8和图11)大小设定为从致动器(例如，致动器222、322、422)接收声能，并从换能器朝向聚焦透镜远侧的焦点重新引导声能。然而，聚焦透镜可以比致动器大、比致动器小或与致动器有大致相同尺寸(直径)。取决于声头面是比致动器小还是比致动器大，适用稍微不同的结构。此类结构在换能器用作发射器和接收器两者时可更直接地观察到。换能器的致动器可用于感测发射的并作为回波反射回换能器的声能，以及感测在换能器的部件内反射的声能。下文参考图15-图20论述换能器头的几何形状对此类感测应用的影响。
图15示出了根据一些实施例的具有弯曲聚焦透镜806和致动器804的换能器头802的组件800的简化侧视示意图。根据一些实施例，换能器头802限定聚焦透镜806的相对大的聚焦区域816，该聚焦区域大于相关联致动器804的直径814。图15的布置类似于上文关于聚焦透镜212(图3)所示的布置。本文中所示的聚焦透镜806是限定聚焦区域816的换能器头802的凹形弯曲表面。致动器814定位在换能器头802后方，并将声波向前传输到换能器头中。声能的第一子集808直接传输通过换能器头802并且以低角度从聚焦透镜806发射，使得声能会聚。然而，在从聚焦透镜806发射之前，声能的第二子集810遇到比第一子集更陡的角度，可以在换能器头802的材料中被反射812。反射812可导致一定程度的噪声反射回致动器，这在一些情况下可能影响换能器在同一应用中用作发射器和传感器两者，因为此噪声可在时间上充分延迟，以便在换能器用作传感器的时段期间影响换能器。作为参考，示出了样本微孔板820的位置，其包括孔的顶表面822和板的底表面824。确切位置可取决于孔中的流体的高度和孔的大小而变化，且组件800可适应许多类型和大小的样本微孔板。声反射可在材料边界处发生，例如在微孔板820的顶表面822和底表面824中的任一者处，以及在流体/空气边界826处。对于感测应用，例如检测孔中的流体的高度，流体/空气边界826不必靠近换能器头802的焦平面。对于液滴喷射应用，换能器头802或微孔板820将移动以便将焦平面设置在流体/空气边界826附近。
图16示出了由弯曲聚焦透镜(类似于图15所示的弯曲聚焦透镜806)引起的回波信号数据900的图形说明。回波信号数据900包括：第一信号902，该第一信号对应于由来自板的不同部分(例如顶表面822和底表面824)的声学反射引起的两个回波，并且可以包括由换能器头内的声能反射和/或重新引导引起的拖尾或振铃；和第二信号904，该第二信号对应于换能器以声学方式探测介质并接收回波(即，从流体/空气边界826接收回波)。在第一信号902中发生的两个回波在约20-30μs和30.5到32μs可见。第一信号902和第二信号904都不同于背景，因此可容易地识别和忽略噪声。然而，如果换能器以短次序接收多个声信号，则将多个回波信号彼此区分或与背景噪声区分可能具有挑战性。由换能器头802内的反射引起的振铃效应和“双回波”效应由于使用硬质无孔材料(例如不透水的金属或金属合金)而加剧。
如上文所论述，透镜材料的合适的声学/机械特性包括：通常在10-30MRayl范围内的声阻抗，相对高且一致的(例如，4km/s或更高)声速，以及对腐蚀、吸水性、弯曲和声学吸收的耐受性。在此类材料中引起的声学效应通常是可再现的，且可在软件中校正。例如，用于缓解或校正声学效应的手段可包括回波消除软件，如在常规音频应用中使用的，并且应用以降低在信号的初始峰值之后的二次反射。此外，相比于在用于NDT应用的常规换能器中使用的更具延展性和可成形的材料，此类材料通常更有效地传输声能，使得当与采用常规材料的系统相比时产生声信号需要显著更少的能量。发现可通过降低聚焦透镜相对于致动器的尺寸来缩短并相比信号降低噪声分布，并且通过将声阻尼材料添加到换能器头的周边来进一步减小噪声分布。
图17示出了根据一些实施例的具有弯曲聚焦透镜1006和致动器1004的换能器头1002的组件1000的简化侧示意图。组件1000包括外部吸收层1014，该外部吸收层限定聚焦透镜的聚焦区域1012。如图所示，聚焦区域1012略大于致动器的直径1010，但聚焦透镜1006的范围与图15的聚焦透镜806的范围相比减小，使得聚焦透镜的凹度较不明显，从而减小声能1008遇到头面的边界的角度。这种减小的角度导致在换能器头1002内部反射的声能少得多，因此在换能器发射声能时降低了总噪声。在一些实施例中，外部吸收层1014可以在聚焦透镜1006外部添加到换能器头1002，所述外部吸收层可以吸收在不离开聚焦透镜的情况下在换能器头内部反射的杂散声能。与图15的组件800相比，所图示的组件1000的布置可显著地缩小噪声和信号，从而与噪声相比使信号的分辨率增加。在一些实施例中，致动器1004可具有与聚焦透镜1006的聚焦区域1012的尺寸相同，或在一些情况下，略大于聚焦区域的直径1010。作为参考，再现了样本微孔板820的位置，包括孔的顶表面822和板的底表面824。确切位置可取决于孔中的流体的高度和孔的大小而变化，且组件1000可适应许多类型和大小的样本微孔板。声反射可在材料边界处发生，例如在顶表面822和底表面824中的任一者处，或从通常对应于流体在微孔板820的孔中的高度的流体/空气边界826处。
图18示出了由与图17所示的组件1000类似的组件引起的回波信号数据1100的图形说明，以与图16所示的回波信号数据900比较。信号1102由从孔板的底部和顶部反射的两个脉冲构成，信号1104是由于孔中的流体的表面(即流体/空气界面826)的反射引起的。此信号可与图16的信号902进行比较。具体来说，相比于图16中所示的对应第一信号902，如图18中所示的第一信号1102更窄并且彼此更清楚地分开。另外，回波信号数据1100具有比回波数据信号900更少的背景噪声，特别是在初始回波信号(1102、902)中的每一个之后。这种增加的清晰度和背景噪声的降低显示了换能器头组件1000(图17)的特征如何降低回波并提高分辨率。一般来说，降低聚焦区域(例如，图15和17所示的聚焦区域816、1012)的大小会减小信号，同时还减小与所述信号相关联的噪声或振铃，但不是以相同速率减小。因此，可调谐换能器的聚焦区域大小以优化回波信号的分辨率并降低噪声事件将被误分类为表面反射的可能性。
图19示出了根据各种实施例的对于具有不同孔径尺寸的换能器的回波信号数据1200的图形说明。将换能器回波信号数据1202、1204、1206、1208、1210在相同的图表上一起再现，以说明与每个换能器的信号产生区域或孔的相应大小相关联的回波信号数据的变化。对于每个换能器，第一信号1220对应于换能器内的声能反射，此处显示了来自孔板的底部的回波，且第二信号1222对应于由来自目标(在此情况下为孔中的流体的自由表面)的声能的反射引起的信号。当孔尺寸减小(例如，从换能器数据1202的17.5mm的直径减小到换能器数据2110的10mm的直径)时，观测到两个信号的幅值降低，以及与第一信号1220相关联的振铃减小。因此，取决于换能器的预期应用(即，从仅产生高功率信号到信号检测)，可以选择在缓解噪声和/或振铃的同时提供足够功率的孔径尺寸。类似地，孔径尺寸影响在聚焦处的声信号的声束大小，如参考图20所示的。
图20示出了根据各种实施例的与具有不同孔径尺寸的换能器1202、1204、1206、1208、1210(图19)相关联的声束大小数据1300的图形说明。Y轴显示了在距声束路径的中心轴线的某距离处的声信号的幅值，该幅值在换能器的焦距处获取，且针对在聚焦处的声信号的幅值进行归一化。较宽曲线指示更多散焦束，并且较窄曲线指示更多聚焦束。如图所示，当孔径尺寸1202-1210(图19)的大小减小时，散焦曲线1302-1310的宽度增加。因此，增加的孔径尺寸产生改善的聚焦，同时与信号清晰度逆相关。然而，增加的聚焦孔径尺寸在改善声束的聚焦方面呈现递减的返回，由通过与散焦曲线1306-1310之间的差异相比散焦曲线1302-1306之间的相对小的差异示出的。
对于需要较大功率处理能力的应用，通常期望具有大孔径面积，因为功率大致与孔径面积成比例。因此，对于给定目标F数或目标光束角，可增加焦距和孔径尺寸以适应功率处理的期望增加。然而，由尺寸的此增加导致的较大焦距将增加介质中声束路径的长度，因此增加衰减。因此，取决于预期应用，选择孔径尺寸以平衡聚焦的需要与缓解噪声或振铃的需要。根据一些实施例，孔径尺寸可在约10mm到约17.5mm的范围内。在一些具体实施例中，孔径尺寸可以在约10mm到约13mm的范围内，或者可以为约11.5mm。用于高功率应用的合适的F数可以变化，但在具体实施例中，可以在约0.8到4，或优选地在约1.5到3，或约2到2.5的范围内。
如上文所描述，调节透镜孔口直径可影响聚焦时的声束大小和振铃水平。然而，这些参数可以替代地或优选地通过调整与致动器连接的电极的尺寸或直径来调谐。返回参考图3，例如，致动器222是压电盘，其中正电极226跨越盘的中心朝向内腔218设置，并且负电极228围绕致动器的周边设置成圆形。在此类实施例中，调整正电极226的大小尤其可控制致动器的声功率发生区的面积，其中较高面积与较高幅值和较宽光束面积相关。调节电极直径可有助于抑制声束大小，以便减少混响和振铃，如上文参考图17-图20所示的。
在各种其他实施例中，可以调整透镜厚度以改变混响在透镜材料中的时间延迟。例如，在至少一个具体的实施例中，根据换能器的标称频率将透镜的中心处的厚度与四分之一波长匹配。将中心透镜厚度设置为此四分之一波长值提高了从致动器到介质的声耦合。在一个实施例中，透镜厚度的标称值为0.15mm(针对设计为在10-12MHz范围内操作的换能器)，但可以在约0.1到0.2mm的范围内变化。
根据各种实施例，聚焦透镜(例如，图4、图8、图11的聚焦透镜212、312、312)可以与换能器外壳(202、302、402)的主体连接，或者可以与外壳一体地连接，聚焦透镜通过精密成形工艺由外壳形成。图21是图示了根据实施例的用于生成聚焦透镜的系统2100的简化框图。系统2100可包括用于接收用户输入的用户输入模块2102，所述用户输入包括换能器的孔径、深度和形状的特定尺寸和/或性能标准(例如期望的焦距、效率和/或信噪要求)，这可以或可以不取决于期望的目标介质、标称焦距和/或材料选择。建模模块2104可以基于用户输入确定所需的聚焦透镜形状。在一些情况下，建模模块2104可以基于聚焦透镜的所选材料和针对性介质来确定添加到聚焦透镜的匹配层的特性。建模模块2104还可以用于生成用于测试和/或验证换能器的性能的性能标准2110。
可以使用可包括一个或多个自动化或半自动化制造机构(诸如，选择性地移除材料的激光烧蚀或精密CAD加工设备，或增加材料的制造机构诸如三维打印方法或气相沉积设备等)的制造模块2106制造聚焦透镜，这可包括：施加或调整匹配层的厚度；以及辅助组装任务，包括将换能器的内部部件组装到聚焦透镜的后部，可选地(例如，通过焊接)将聚焦透镜与换能器壳体组装在一起。组装后的换能器可插入到测试模块2108中，所述测试模块可经由换能器迭代地产生和/或接收声信号，以便测量换能器作为发射器的聚焦性能或效率，或确定换能器在作为传感器操作时的信噪比、噪声衰减和/或灵敏度。在一些实施例中，测试模块2108可在长时间尺度内操作，以在长期浸泡下提供性能指标。性能标准可以被评估2110并被迭代地使用以在建模模块2104处通过添加或移除透镜或匹配层材料调整定义聚焦透镜的参数。
图22示出了根据实施例的用于制造不透水超声换能器的示例性过程2200。过程2200可以结合例如图21所示的系统2100来实施。过程2100(或本文中描述的任何其它过程，或其变型和/或组合)中的一些或全部可以在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可以被实现为由硬件或其组合共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序，或一个或多个应用程序)。代码可以存储在计算机可读存储介质上，例如，以包括可由一个或多个处理器执行的多个指令的计算机程序的形式。计算机可读存储介质可以是非暂时性的。
过程2200包括接收指示一个或多个换能器性能标准的输入(动作2202)。所述输入可包括换能器预期以其操作的标称频率、材料选择、聚焦时的优选焦距或声束的期望轮廓或其它特性。接下来，可以基于输入来定义聚焦透镜几何形状(动作2204)，包括孔径尺寸(即，聚焦透镜的凹入部分的直径)以及聚焦透镜的形状或深度。不透水换能器头可以例如通过精密加工或类似方法形成为符合限定的聚焦透镜几何结构(动作2206)，且换能器头可随后通过不透水手段(例如，永久性结合、接触和/或激光焊接，或其它类似方法)与不透水外壳连接(动作2208)。换能器电子器件可以与换能器头和外壳组装在一起(动作2210)，所述换能器电子器件包括例如结合到换能器头的后部的致动器，以及背衬和电子部件，如上文关于换能器200-700(图2-图14)所论述的。应理解，可通过从单个零件形成换能器头和外壳来省略将换能器头与外壳连接的步骤，使得部件一体地连接，如图23中所示。
图23示出了用于从单个整体部分形成换能器头和外壳的示例性过程2300。过程2300包括接收限定聚焦透镜几何形状的输入(动作2302)，所述几何形状可根据超声换能器的任何合适的性能标准来定义，如参考上文图22所论述的。可以通过铸造、加工或类似方法的组合从不透水材料(例如，非腐蚀性金属或合金壳体)形成在一端封闭的不透水外壳(动作2304)，其中封闭端被设定大小并具有足够的厚度以在其中容纳聚焦透镜。聚焦透镜然后可通过例如通过精密加工或类似方法从外壳的封闭端移除材料而形成(动作2306)。以此方式形成的外壳和换能器头可随后与上文描述的各种换能器电子器件组装在一起。
具有与目标介质的声阻抗明显不同的声阻抗的任何换能器头材料(例如，声阻抗Z>10MRayl的典型金属相对于声阻抗Z<2MRayl的水溶液产生的超过5的比率)将倾向于在聚焦透镜与介质之间的边界处耗散声能，其中阻抗的差异越大，产生的损耗越大。在常规浸入式换能器中，换能器头通常由具有低声阻抗的材料构成，使得传递损耗最小；并且吸收或衰减通过其中的声能中的一些，使得噪声被衰减。然而，在如本文所述的实施例中，聚焦透镜是完全不透水的材料，例如金属(例如，不锈钢或铂)壳体。此类材料可以是更高效的发射器，吸收更少的穿过其中的能量。然而，如果此类换能器直接发射到低阻抗介质中，那么它们可能在介质边界处损失显著量的声能(过渡损耗)，并且可能易于有高度噪声和内部反射。这些缺点可通过下文参考图24所论述的方法来减轻。
图24示出了根据实施例的用于修改换能器头和/或外壳以减轻过渡损耗和/或噪声的示例性过程2400。过程2400包括接收输入，所述输入包括关于换能器头材料的声阻抗和换能器预期在其中操作的目标介质的信息(动作2404)。基于每种材料的声阻抗选择一种(或若干种)匹配材料以用于促进在聚焦透镜与目标介质之间的声能传递(动作2406)。单一匹配材料可以根据如上文参考图12和等式1所讨论的参数的任何合适的组合来选择。在一些情况下，可以选择多个匹配层，在这种情况下，可以根据如上文关于图13所讨论的参数的任何合适组合以及等式2的方程系来选择相应的材料。
接下来，可基于所选材料的声阻抗和换能器预期以其操作的标称频率来确定匹配层材料的标称厚度(动作2308)。如参考图12所讨论的，标称厚度优选地针对与穿过匹配层材料的声波的标称频率相关联的四分之一波长，或者替代性地，四分之一波长的任何奇数倍(例如，波长的四分之三)。将匹配层以等于或大于标称厚度的厚度施加到聚焦透镜(动作2410)。在一些情况下，当以均匀且精确地分布材料的方式沉积匹配层时，可直接将匹配层施加到优选厚度。然而，在一些情况下，匹配层可(例如，通过精密加工)被部分地移除，以使整个匹配层符合优选的标称厚度(动作2412)。
其它材料可以施加在换能器头上并且邻近聚焦透镜，以便减轻噪声或振铃。例如，由吸声物质形成的衰减层可以围绕聚焦透镜的周边施加(动作2414)。在一些情况下，衰减层可用作其它部件(例如，一个或多个小的额外换能器)的背衬材料，接着所述其它部件可堆集在衰减层上且使用衰减层作为背衬材料来操作(动作2416)，如上文参考换能器400(图10-图11)所描述的。
与常规换能器设计相比，如上所述的不透水换能器随着时间的推移提供格外均匀的性能，并且不会响应于流体暴露而劣化。尽管浸泡，但可以预期这些换能器从制造时间到长期使用具有一致的性能。例如，具有相同声学聚焦的两个相同的换能器在液滴传递应用中使用时应是可互换的并且产生具有相同大小的液滴，即使一个使用了5年(仪器外部保持干燥)，而另一个浸没了5年。在诸如NDT的其它浸入式应用中，长期使用也可以预期有类似的一致性。
流体不可渗透的换能器的性能的一致性可以若干方式表征，包括但不限于一致的焦距、偏心度和对称性。焦距可通过沿着通过透镜的顶点的轴线测量声束的幅值来用经验确定。图25是示出了沿着该轴线的示例性聚焦扫掠的图表，其示出了根据回波延迟或者对应于距离透镜的距离的飞行时间(ToF)的回波振幅。类似地，可通过测量横跨对应于焦距的二维平面(即焦平面)的声束的幅值来用经验确定聚焦的形状(例如，偏心度、对称性)。图26是示出了横跨由流体不可渗透的换能器产生的声束的示例性焦平面测量的回波振幅的等高线图。
用于测量换能器的焦距的程序如下。平坦的实心板安装在换能器前方的机械平移平台上，使得板垂直于从换能器辐射的声束。平移平台应被构造成移动板使得透镜的顶点与板之间的距离可在透镜的预期焦平面周围变化。换能器与板之间的空间在温度受控环境中填充有适当的耦合流体，例如但不限于蒸馏水。平坦光滑的不锈钢板可用作实心部分。换能器定位在离所述板的离散间距的范围处，且在每一间距处用短的“ping(查验)”波形激励。每个ping激发从换能器行进到板的短的声脉冲，所述短的声脉冲反射回透镜且在换能器处转换回电信号。对于每个ping，测量回波峰值幅值以及反射的回波与施加的ping信号之间的延迟，并且在每个连续换能器—板间距处重复该过程。可绘制相应的回波峰幅值和延迟，如图25中所示。得到最高回波返回的延迟是对应于换能器的焦距的特征飞行时间(ToF)。如果需要，可使用曲线拟合来平滑接收到的回波中的不可避免的噪声，以对聚焦ToF进行一致的估计。本文公开的流体不可渗透的换能器可以在长时间浸没内保持透镜形状，从而甚至在长时间浸没之后保持一致的焦距。根据一些实施例，如本文所公开的流体不可渗透的换能器可在浸没一年后生成声束，该声束的焦距在初始浸没后立即生成的初始声束的初始焦距的0.1％内。这种一致性还可以延伸到在长时间浸没后的束偏心率和对称性。
用于测量由换能器产生的声束的空间特性，并由此测量其偏心率和对称性的程序如下。首先，将尖针反射器安装在换能器前方的一组x-y双机械平移平台上，使得该针与从换能器辐射的声束对准，并且尖端在透镜的焦平面处。平移平台应被构造成在横向方向上在透镜的预期焦点周围移动针。换能器与针之间的空间在温度受控的环境中填充有适当的耦合流体，通常是蒸馏水。一旦组装好，使用平移平台以光栅图案以小的x-y阶跃增量移动针，同时使用换能器发射并记录声信号。在每个x-y位置处，执行以下步骤：(a)用短的“ping”波形激励换能器，(b)ping激发从换能器行进到板的短的声脉冲，(c)针将声束反射回到换能器的透镜，(d)换能器信号将回波转换回电信号，且(e)反射的回波的反射回波峰值幅值被记录且与相应的x-y位置相关联。可以对照如图26的等高线图中所示的x-y位置绘制峰值回波信号的记录值。表面拟合可用于估计从换能器发射的声束的偏心度或同心度。
与使用在液体中逐渐吸收、降解或变形的材料的换能器相比，由本文所公开的流体不可渗透的换能器生成的声束的空间特性随时间推移并且在浸没之后非常一致。此一致性可以根据对称度、偏心度或同心度或其它属性来描述。根据一些实施例，在换能器浸入液体一年之后，由流体不可渗透的换能器生成的声束的偏心率与在初始浸泡之后立即生成的初始声束的初始偏心率的0.1％内一致。本文公开的用于换能器透镜的流体不可渗透材料以及背衬层和致动器还可以提供改善精度的透镜形状，并产生优于先前可用的换能器的声束形状。因此，具有小于0.1％的偏心率(即，完全同心或几乎同心)的精确声束形状是可实现的，且可在长时间浸没内保持该形状。
在一些替代性实施例中，如本文中所描述的不透水换能器可针对特定应用(例如，NDT和分析应用、高功率应用等)用于换能器阵列中。相反，如本文中所描述的不透水换能器也可用于替代传统上为换能器阵列保留的应用中的换能器阵列。此类换能器阵列在例如美国专利No.8,544,976中详细描述。本领域已知的方法可用于基于通过扫描操作从被扫描结构返回的回波的特性来确定这些结构的物理参数。用于NDT的各种物理参数和回波特性以及扫描参数是本领域已知的，并且在以下参考文献中公开，这些参考文献出于所有目的以引用的方式并入本文中：V.M.Ristic，“Principles of Acoustic Devices”，John Wileyand Sons(1983)；G.Crowe，“An Introduction to Nondestructive Testing”，(2009)，https://www.ndt.org/；和https://asnt.org/Home。
上文讨论的各种计算方法可以与具有硬件、软件和/或固件的计算机或其它处理器结合执行或使用所述计算机或其它处理器来执行。各种方法步骤可以由模块执行，并且模块可以包括被布置成执行本文所述方法步骤的各种数字和/或模拟数据处理硬件和/或软件中的任一者。该模块可选地包括数据处理硬件，该数据处理硬件适于通过具有与之关联的适当的机器编程代码来执行这些步骤中的一个或多个，在广泛的各种集成和/或分布式处理架构中的任何一个中，用于两个或更多个步骤(或两个或更多个步骤的部分)的模块集成到单个处理器板中或分割到不同处理器板中。这些方法和系统将通常采用有形介质，该有形介质包含机器可读代码，该机器可读代码具有用于执行上述方法步骤的指令。合适的有形介质可以包括存储器(包括易失性存储器和/或非易失性存储器)、存储媒介(诸如软盘、硬盘、磁带等上的磁记录；光存储器，诸如CD、CD-R/W、CD-ROM、DVD等；或者任何其他数字或模拟存储介质)等等。
本文中所示的具体细节仅作为实例并且用于仅对本发明的优选实施例的说明性讨论的目的，并且在为提供被认为是最有用且易于理解本发明的各个实施例的原理和概念方面的描述而呈现。就这一点而言，不试图以比基本理解本发明所需的更详细地显示本发明的结构细节，与图式和/或实例一起进行的描述对本领域技术人员可以如何在实践中体现本发明的几种形式是显而易见的。
除非在以下实例中进行了明确且不含糊地修改，或在含义的应用使得任何构建无意义或基本无意义时，以下定义和解释意味着并旨在控制任何未来的构建。在术语的构建将使其无意义或基本上无意义的情况下，定义应从韦氏字典(Webster's Dictionary)、第三版或本领域技术人员已知的字典，例如，生物化学与分子生物学牛津字典(编者安东尼史密斯，牛津大学出版社，牛津，2004)(Oxford Dictionary of Biochemistry andMolecular Biology(Ed.Anthony Smith,Oxford University Press,Oxford,2004))中获取。
除非上下文另外明确要求，否则在整个描述和权利要求书中，词语“包括(comprise/comprising)”等应理解为包含性意义，与排他性或穷举性意义相反；也就是说，含义是“包括但不限于”。使用单数或复数数字的词语也分别包括复数和单数数字。此外，当在本申请中使用时，词语“本文中”、“上文”和“下文”和类似导入的词语应指作为整体的本申请而非本申请的任何特定部分。
对本公开的实施例的描述并不意图为详尽的或将本公开限制于所公开的精确形式。虽然本文出于说明性目的描述了本公开的具体实施例和实例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在本公开的范围内各种等效修改是可能的。
所有参考文献，包括专利申请(包括专利、专利申请和专利出版物)、科学期刊、书籍、论文、技术参考文献以及本申请中讨论的其他出版物和材料，均以全文引用的方式并入本文以用于所有目的。
如果需要，本公开的各方面可以修改以采用上述文献和申请的系统、功能和概念以提供本公开的另外的其他实施例。可以根据详细描述对本公开做出这些和其他改变。
任何前述实施例的具体元件可以被组合或替代其他实施例中的元件。此外，虽然在这些实施例的上下文中已描述了与本公开的某些实施例相关联的优点，但其它实施例也可展现这样的优点，并且并非所有实施例都必须显示出此类优点以落入本公开的范围内。
虽然上文提供了对本发明的示例性实施例的全面且完整的公开，但是可以根据需要采用各种修改、替代构造和等同物。因此，尽管已经通过实例的方式并且为了理解的清楚而稍微详细地描述了实施例，但是对于本领域技术人员来说，各种修改、改变和适应性修改将是显而易见的。因此，以上描述和说明不应解释为限制本发明，本发明可由所附权利要求书限定。
其它变化在本公开的精神内。因此，虽然所公开的技术易受各种修改和替代性构造的影响，但其某些示出的实施例在图式中示出并且已经在上文详细描述过。然而，应理解，并不意图将本公开限于所公开的某种特定形式或某些特定形式，而是相反地，意图是涵盖落入如所附权利要求中限定的本公开的精神和范围内的所有修改、替代性构造和等同物。
在描述所公开的实施例的上下文中(尤其在以下权利要求书的上下文中)使用术语“一个(a/an)”和“所述(the)”以及类似的提及物应解释为涵盖单数和复数，除非本文另外指明或与上下文明显抵触。除非另外指出，否则术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”应解释为开放式术语(即，含义“包括但不限于”)。术语“连接的”应被解释为部分地或完全地包含在内、附接到或联结在一起，即使存在中间物。除非在本文中另外指出，否则在本文中的值范围的引用仅旨在用作单独指代落入该范围内的每个单独值的速记方法，并且每个单独值被并入本说明书中，如同在本文中被单独陈述一样。除非在本文中另外指明或以其他方式与上下文明显抵触，否则本文所述的所有方法均可以任何合适的顺序执行。本文提供的任何和所有实例或示例性语言(例如“诸如”)的使用仅旨在更好地说明本公开的实施例，并且不对本公开的范围造成限制，除非另外要求保护。在说明书中没有语言应解释为指示对本公开的实践必要的任何非要求保护的元素。
除非另外明确说明，否则诸如短语“X、Y或Z中的至少一个”的析取语言意图在通常使用的上下文中理解，以介绍物品、术语等可以是X、Y或Z，或者其任何组合(例如，X、Y和/或Z)。因此，这种析取语言通常不旨在且不应暗示某些实施例需要至少一个X、至少一个Y或至少一个Z存在。
本文中描述了本公开的优选实施例，包括发明人已知用于执行本公开的最佳模式。在阅读前述描述后，这些优选实施例的变型对于所属领域的普通技术人员而言可变得显而易见。本发明人希望技术人员酌情采用这些变型，并且本发明人希望以不同于本文具体描述的方式实践本公开。因此，本公开包括根据适用法律所允许的在随附权利要求书中叙述的主题的所有修改和等同物。此外，除非本文另外指明，或另外与上下文明显抵触，否则上述元件在其所有可能变型中的任何组合均被本公开涵盖。
本文引用的所有参考文献，包括出版物、专利申请和专利据此以引用方式并入本文，与每个参考文献单独地并且具体地指示为通过引用并入本文中并且在本文中全文阐述的程度相同。
在下文中，描述了另外的实例以促进对本发明的理解：
实例A.一种换能器，包括：外壳；流体不可渗透的换能器头，所述流体不可渗透的换能器头包括金属聚焦透镜，所述换能器头具有后表面和前表面，所述金属聚焦透镜设置在所述前表面上，并被构造成将超声朝焦点聚焦；以及致动器，所述致动器结合到所述换能器头的后表面，且可操作以产生所述金属聚焦透镜的振荡机械振动，使得从所述金属聚焦透镜朝所述焦点发射超声，其中，所述外壳和换能器头以流体不可渗透的方式连接，以防止液体进入所述外壳中。
实例B.根据前述实例中任一项所述的换能器，其中所述外壳包括金属外壳，所述金属外壳通过流体不可渗透的接头连接到所述金属聚焦透镜。
实例C.根据实例B所述的换能器，其中所述流体不可渗透的接头包括焊接接头。
实例D.根据前述实例中任一项所述的换能器，其中所述外壳和换能器头以流体不可渗透的方式连接以防止气体进入所述外壳中。
实例E.根据前述实例中任一项所述的换能器，其中所述外壳和所述金属聚焦透镜是一体形成的。
实例F.根据前述实例中任一项所述的换能器，其中所述聚焦透镜包括球形凹表面。
实例G.根据前述实例中任一项所述的换能器，其中所述聚焦透镜包括柱形凹表面。
实例H.根据前述实例中任一项所述的换能器，其中所述致动器是压电换能器。
实例I.根据前述实例中任一项所述的换能器，其中所述换能器头的前表面包括环绕所述聚焦透镜的周边部分，并且还包括衰减层，所述衰减层与所述周边部分相接并且被构造成吸收从所述致动器通过所述周边部分发射的超声能量。
实例J.根据前述实例中任一项所述的换能器，还包括匹配层，所述匹配层联接到所述聚焦透镜以将超声从所述聚焦透镜传输到介质，所述匹配层被构造成与超声从所述聚焦透镜向所述介质的直接传输相比，增强超声从所述聚焦透镜向所述介质的传输。
实例K.根据实例J所述的换能器，其中所述聚焦透镜具有第一声阻抗，所述介质具有不同于所述第一声阻抗的第二声阻抗，且所述匹配层具有在所述第一声阻抗与所述第二声阻抗之间的匹配声阻抗。
实例L.根据实例K所述的换能器，其中所述匹配声阻抗根据等式Zm＝√(ZlZc)近似等于Zm，其中Zl是所述第一声阻抗，Zc是所述第二声阻抗。
实例M.根据实例L所述的换能器，其中所述匹配声阻抗在Zm的10％内。
实例N.根据实例L所述的换能器，其中所述匹配声阻抗在Zm的5％内。
实例O.根据实例K所述的换能器，其中所述匹配声阻抗在约4-10Mrayl的范围内。
实例P.根据实例K所述的换能器，其中所述匹配声阻抗在约6-8Mrayl的范围内。
实例Q.根据实例J-P中任一项所述的换能器，其中所述匹配层包括石墨。
实例R.根据实例J-P中任一项所述的换能器，其中所述匹配层包括含氟聚合物层。
实例S.根据实例J-P中任一项所述的换能器，其中所述匹配层包括聚偏氟乙烯。
实例T.根据实例J-S中任一项所述的换能器，其中所述匹配层的厚度对应于在标称频率下通过所述匹配层的声信号的四分之一波长的奇数倍。
实例U.根据权利要求T所述的换能器，其中所述匹配层的厚度在由所述四分之一波长的奇数倍限定的标称厚度的20％内。
实例V.根据权利要求T所述的换能器，其中所述匹配层的厚度在由所述四分之一波长的奇数倍限定的标称厚度的10％内。
实例W.根据实例T-V中任一项所述的换能器，其中所述标称频率在2到15MHz的范围内。
实例X.根据实例T-W中任一项所述的换能器，其中所述匹配层具有范围从30到80μm的厚度。
实例Y.根据前述实例中任一项所述的换能器，还包括设置在所述前表面上的第一匹配层和设置在所述第一匹配层上的第二匹配层，所述第一匹配层和所述第二匹配层被构造成与超声从所述聚焦透镜向介质的直接传输相比，增强超声从所述聚焦透镜向所述介质的传输。
实例Z.根据实例Y所述的换能器，其中：所述聚焦透镜具有第一声阻抗；所述介质具有不同于所述第一声阻抗的第二声阻抗；所述第一匹配层具有在所述第一声阻抗与所述第二声阻抗之间的第一匹配声阻抗；并且所述第二匹配层具有在所述第一匹配声阻抗与所述第二声阻抗之间的第二匹配声阻抗。
实例AA.根据权利要求Z所述的换能器，其中所述第一匹配声阻抗和所述第二匹配声阻抗分别近似等于Zm1和Zm2，其中Zm1＝√(ZlZm2)和Zm2＝√(Zm1Zc，并且其中Zl对应于所述金属聚焦透镜的声阻抗，Zc对应于所述介质的声阻抗。
实例AB.根据前述实例中任一项所述的换能器，其中所述聚焦透镜的直径比所述致动器大。
实例AC.根据前述实例中任一项所述的换能器，其中所述换能器头由金属或金属合金形成。
实例AD.根据前述实例中任一项所述的换能器，其中所述换能器头包括铝(Al)、铍(Be)、镉(Cd)、碳(C)、铬(Cr)、铜(Cu)、锗(Ge)、金(Au)、铁(Fe)、铅(Pb)、锰(Mn)、钼(Mo)、镍(Ni)、铌(Nb)、磷(P)、铂(Pt)、硒(Se)、硅(Si)、银(Ag)、锡(Sn)、钛(Ti)、钨(W)、钒(V)、锌(Zn)或锆(Zr)中的一者或多者。
实例AE.根据前述实例中任一项所述的换能器，其中所述换能器头和外壳的特征在于在浸入液体中时液体渗透深度和引起的材料损失为零。
实例AF.根据前述实例中任一项所述的换能器，其中所述换能器头和外壳的特征在于与液体接触每年的材料重量损失小于0.1％。
实例AG.根据前述实例中任一项所述的换能器，其中所述致动器的厚度等于由所述换能器生成的标称频率下的声信号的标称声波波长的大约一半。
实例AH.根据前述实例中任一项所述的换能器，其中所述致动器的厚度等于大约275μm。
实例AI.根据前述实例中任一项所述的换能器，还包括背衬材料，所述背衬材料被构造成衰减由所述致动器传输的声能，所述致动器位于所述背衬材料与所述金属聚焦透镜之间。
实例AJ.根据实例AI所述的换能器，其中所述背衬材料包括均匀地悬浮在声阻尼材料中的声散射材料的颗粒。
实例AK.根据实例AI所述的换能器，其中所述背衬材料包括阻尼聚合物基质。
实例AL.根据实例AI所述的换能器，其中所述背衬材料包括浸渍有碳化硅颗粒的阻尼聚合物基质。
实例AM.根据实例AI所述的换能器，其中所述背衬材料包括浸渍有钨颗粒的阻尼聚合物基质。
实例AN.根据实例AI-AM中任一项所述的换能器，其中所述背衬材料具有范围从13.5到16.5Mrayl的声阻抗。
实例AO.根据实例AI-AN中任一项所述的换能器，还包括密封剂，所述密封剂基本上填充所述外壳的内部空间，所述背衬材料设置在所述致动器与所述密封剂之间。
实例AP.根据前述实例中任一项所述的换能器，其中由所述换能器生成的声束的焦距足够稳定，使得所述焦距以与液体接触每年小于0.1％的速率改变。
实例AQ.根据前述实例中任一项所述的换能器，其中由所述换能器生成的声束的偏心率足够稳定，使得所述偏心率以与液体接触每年小于0.1％的速率改变。
实例AR.根据前述实例中任一项所述的换能器，其中所述换能器在超过2个大气压下暴露于超过130℃的温度时是流体不可渗透的，并具有抵抗性能变化的弹性。
实例AS.一种形成流体不可渗透的超声换能器的方法，所述方法包括：由流体不可渗透的材料形成基本上中空的外壳，所述外壳具有内部腔和开放的第一端；由所述流体不可渗透的材料形成换能器头元件，所述换能器头元件的大小设定成与所述外壳的开放的第一端连接；在所述头元件的前表面上形成聚焦透镜，所述聚焦透镜被构造成朝焦点聚焦超声；将所述头元件与所述外壳的第一端联结以形成流体不可渗透的接头，所述头元件定位成使得所述聚焦透镜远离所述外壳指向；以及将致动器结合到所述换能器头的与所述前表面相对的后表面，所述致动器可操作以产生所述聚焦透镜的振荡机械振动，使得从所述聚焦透镜朝所述焦点发射超声。
实例AT.根据实例AS所述的方法，其中将所述头元件与所述外壳的第一端联结包括将所述头元件与所述外壳焊接在一起。
实例AU.根据前述实例中任一项所述的方法，其中形成所述聚焦透镜包括通过精密加工过程从所述头元件的前表面移除材料。
实例AV.根据前述实例中任一项所述的方法，还包括：将背衬材料插入所述外壳中所述致动器附近和后面；以及用密封剂基本上填充所述外壳的内部腔的其余部分。
实例AW.根据前述实例中任一项的方法，还包括：将匹配层施加到所述聚焦透镜，所述匹配层包括具有对应于根据等式Zm＝√(ZlZc)的Zm的匹配声阻抗的材料，其中，Zl为对应于所述头元件的第一声阻抗，Zc为对应于介质的第二声阻抗。
实例AX.根据实例AW所述的方法，还包括：减小所述匹配层的厚度，以使所述厚度符合在标称频率下通过所述匹配层的声信号的四分之一波长的奇数倍。
实例AY.根据实例AW所述的方法，还包括：以对应于在标称频率下通过所述匹配层的声信号的四分之一波长的奇数倍的厚度施加所述匹配层。
实例AZ.根据前述实例中任一项所述的方法，还包括：将背衬材料插入所述外壳中所述致动器附近和后面；将导电环元件邻接所述致动器且围绕所述背衬材料的周边插入所述外壳中，所述导电环具有内导电部分和外导电部分；使所述致动器的第一电极与所述导电环元件的内导电部分接触；以及使所述致动器的第二电极与所述导电环元件的外导电部分接触。
实例BA.根据前述实例中任一项所述的方法，还包括：将衰减层邻近所述聚焦透镜施加到所述头元件的周边。
实例BB.根据前述实例中任一项所述的方法，还包括：将匹配层施加到所述聚焦透镜，所述匹配层具有比所述换能器头的第一声阻抗小的匹配声阻抗。
实例BC.一种形成流体不可渗透的超声换能器的方法，所述方法包括：由流体不可渗透的材料形成具有内部腔和限定换能器头元件的封闭的第一端的基本上中空的外壳；在所述头元件的前表面上形成聚焦透镜，所述聚焦透镜被构造成朝焦点聚焦超声；将致动器结合到所述换能器头的与所述前表面相对的后表面，所述致动器可操作以产生所述聚焦透镜的振荡机械振动，使得超声从所述聚焦透镜朝所述焦点发射。
实例BD.根据实例BC所述的方法，其中形成所述聚焦透镜包括从所述头元件的前表面移除材料。
实例BE.根据前述实例中任一项所述的方法，还包括：将背衬材料插入所述外壳中所述致动器附近和后面；以及用密封剂基本上填充所述外壳的内部腔的其余部分。
实例BF.根据实例BE所述的方法，还包括：将导电环元件邻接所述致动器且围绕所述背衬材料的周边插入所述外壳中，所述导电环具有内导电部分和外导电部分；使所述致动器的第一电极与所述导电环元件的内导电部分接触；以及使所述致动器的第二电极与所述导电环元件的外导电部分接触。
实例BG.根据前述实例中任一项的方法，还包括：将匹配层施加到所述聚焦透镜，所述匹配层包括具有对应于根据等式Zm＝√(ZlZc)的Zm的匹配声阻抗的材料，其中，Zl为对应于所述头元件的第一声阻抗，Zc为对应于介质的第二声阻抗。
实例BH.根据实例BG所述的方法，还包括：减小所述匹配层的厚度，以使所述厚度符合在标称频率下通过所述匹配层的声信号的四分之一波长的奇数倍。
实例BI.根据实例BG所述的方法，还包括：以对应于在标称频率下通过所述匹配层的声信号的四分之一波长的奇数倍的厚度施加所述匹配层。
实例BJ.根据前述实例中任一项所述的方法，还包括：将衰减层邻近所述聚焦透镜施加到所述头元件的周边。
实例BK.根据前述实例中任一项所述的方法，还包括：将匹配层施加到所述聚焦透镜，所述匹配层具有比所述换能器头的第一声阻抗小的匹配声阻抗。
实例BL.一种从流体储存器喷射液滴的方法，所述方法包括：使用包括根据实例A-AR中任一项所述的换能器的流体不可渗透的换能器；将所述聚焦透镜浸没在声学介质中，所述声学介质定位成将声能从所述换能器耦合到所述储存器；由所述致动器以构造成使液滴从所述储存器的流体表面喷射的频率生成声脉冲；以及通过所述聚焦透镜，将所述声脉冲从所述致动器传递到所述流体储存器。
实例BM.一种对结构执行超声测试的方法，所述方法包括：使用包括根据实例A-AR中任一项所述的换能器的流体不可渗透的换能器；将所述聚焦透镜浸没在与所述结构流体接触的声学介质中；由所述致动器生成声脉冲并且指向所述结构的被扫描区；接收对应于所述被扫描区的声脉冲的回波；以及基于回波的特性来确定所述结构的被扫描区的物理参数。
图式中描绘的或上文描述的部件的不同布置以及未示出或未描述的部件和步骤是可能的。类似地，一些特征和子组合是有用的，并且可以在不参考其他特征和子组合的情况下使用。已经出于说明性而非限制性目的描述了本发明的实施例，并且替代实施例对于本专利的读者而言将变得显而易见。因此，本发明不限于上文所描述的或附图中描绘的实施例，并且可在不脱离所附权利要求的范围的情况下做出各种实施例和修改。

Claims (65)

1.一种换能器，包括：
外壳；
流体不可渗透的换能器头，所述流体不可渗透的换能器头包括金属聚焦透镜，所述换能器头具有后表面和前表面，所述金属聚焦透镜设置在所述前表面上，并且被构造成将超声朝焦点聚焦；以及
致动器，所述致动器结合到所述换能器头的后表面，并且能够操作以产生所述金属聚焦透镜的振荡机械振动，使得从所述金属聚焦透镜朝所述焦点发射超声，其中，所述外壳和换能器头以流体不可渗透的方式连接，以防止液体进入所述外壳中。
2.根据权利要求1所述的换能器，其中所述外壳包括金属外壳，所述金属外壳通过流体不可渗透的接头连接到所述金属聚焦透镜。
3.根据权利要求2所述的换能器，其中所述流体不可渗透的接头包括焊接接头。
4.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述外壳和换能器头以流体不可渗透的方式连接以防止气体进入所述外壳中。
5.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述外壳和所述金属聚焦透镜是一体形成的。
6.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述聚焦透镜包括球形凹表面。
7.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述聚焦透镜包括柱形凹表面。
8.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述致动器是压电换能器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述换能器头的前表面包括环绕所述聚焦透镜的周边部分，并且还包括：
衰减层，所述衰减层与所述周边部分相接并且被构造成吸收从所述致动器通过所述周边部分发射的超声能量。
10.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，还包括匹配层，所述匹配层联接到所述聚焦透镜以将超声从所述聚焦透镜传输到介质，所述匹配层被构造成与超声从所述聚焦透镜向所述介质的直接传输相比，增强超声从所述聚焦透镜向所述介质的传输。
11.根据权利要求10所述的换能器，其中所述聚焦透镜具有第一声阻抗，所述介质具有不同于所述第一声阻抗的第二声阻抗，并且所述匹配层具有在所述第一声阻抗与所述第二声阻抗之间的匹配声阻抗。
12.根据权利要求11所述的换能器，其中所述匹配声阻抗根据等式
Figure FDA0002801580480000021
近似等于Zm，其中Zl是所述第一声阻抗，并且Zc是所述第二声阻抗。
13.根据权利要求12所述的换能器，其中所述匹配声阻抗在Zm的10％内。
14.根据权利要求12所述的换能器，其中所述匹配声阻抗在Zm的5％内。
15.根据权利要求11-14中任一项所述的换能器，其中所述匹配声阻抗在约4-10Mrayl的范围内。
16.根据权利要求11-14中任一项所述的换能器，其中所述匹配声阻抗在约6-8Mrayl的范围内。
17.根据权利要求11-14中任一项所述的换能器，其中所述匹配层包括石墨。
18.根据权利要求11-14中任一项所述的换能器，其中所述匹配层包括含氟聚合物层。
19.根据权利要求11-14中任一项所述的换能器，其中所述匹配层包括聚偏氟乙烯。
20.根据权利要求11-19中任一项所述的换能器，其中所述匹配层的厚度对应于在标称频率下通过所述匹配层的声信号的四分之一波长的奇数倍。
21.根据权利要求20所述的换能器，其中所述匹配层的厚度在由所述四分之一波长的奇数倍限定的标称厚度的20％内。
22.根据权利要求20所述的换能器，其中所述匹配层的厚度在由所述四分之一波长的奇数倍限定的标称厚度的10％内。
23.根据权利要求20-22中任一项所述的换能器，其中所述标称频率在2到15MHz的范围内。
24.根据权利要求10-23中任一项所述的换能器，其中所述匹配层具有范围从30到80μm的厚度。
25.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，还包括设置在所述前表面上的第一匹配层和设置在所述第一匹配层上的第二匹配层，所述第一匹配层和所述第二匹配层被构造成与超声从所述聚焦透镜向介质的直接传输相比，增强超声从所述聚焦透镜向所述介质的传输。
26.根据权利要求25所述的换能器，其中：
所述聚焦透镜具有第一声阻抗；
所述介质具有不同于所述第一声阻抗的第二声阻抗；
所述第一匹配层具有在所述第一声阻抗与所述第二声阻抗之间的第一匹配声阻抗；并且
所述第二匹配层具有在所述第一匹配声阻抗与所述第二声阻抗之间的第二匹配声阻抗。
27.根据权利要求26所述的换能器，其中所述第一匹配声阻抗和所述第二匹配声阻抗分别近似等于Zm1和Zm2，其中
Figure FDA0002801580480000031
并且
Figure FDA0002801580480000032
Figure FDA0002801580480000033
并且其中Zl对应于所述金属聚焦透镜的声阻抗，并且Zc对应于所述介质的声阻抗。
28.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述聚焦透镜的直径比所述致动器大。
29.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述换能器头由金属或金属合金形成。
30.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述换能器头包括铝(Al)、铍(Be)、镉(Cd)、碳(C)、铬(Cr)、铜(Cu)、锗(Ge)、金(Au)、铁(Fe)、铅(Pb)、锰(Mn)、钼(Mo)、镍(Ni)、铌(Nb)、磷(P)、铂(Pt)、硒(Se)、硅(Si)、银(Ag)、锡(Sn)、钛(Ti)、钨(W)、钒(V)、锌(Zn)或锆(Zr)中的一者或多者。
31.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述换能器头和外壳的特征在于在浸入液体中时液体渗透深度和引起的材料损失为零。
32.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述换能器头和外壳的特征在于与液体接触每年的材料重量损失小于0.1％。
33.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述致动器的厚度等于由所述换能器生成的标称频率下的声信号的标称声波波长的大约一半。
34.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述致动器的厚度等于大约275μm。
35.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，还包括背衬材料，所述背衬材料被构造成衰减由所述致动器传输的声能，所述致动器位于所述背衬材料与所述金属聚焦透镜之间。
36.根据权利要求35所述的换能器，其中所述背衬材料包括均匀地悬浮在声阻尼材料中的声散射材料的颗粒。
37.根据权利要求35所述的换能器，其中所述背衬材料包括阻尼聚合物基质。
38.根据权利要求35所述的换能器，其中所述背衬材料包括浸渍有碳化硅颗粒的阻尼聚合物基质。
39.根据权利要求35所述的换能器，其中所述背衬材料包括浸渍有钨颗粒的阻尼聚合物基质。
40.根据权利要求35-39中任一项所述的换能器，其中所述背衬材料具有范围从13.5到16.5Mrayl的声阻抗。
41.根据权利要求35-40中任一项所述的换能器，还包括密封剂，所述密封剂基本上填充所述外壳的内部空间，所述背衬材料设置在所述致动器与所述密封剂之间。
42.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中由所述换能器生成的声束的焦距足够稳定，使得所述焦距以与液体接触每年小于0.1％的速率改变。
43.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中由所述换能器生成的声束的偏心率足够稳定，使得所述偏心率以与液体接触每年小于0.1％的速率改变。
44.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述换能器在超过2个大气压下暴露于超过130℃的温度时是流体不可渗透的，并且具有抵抗性能变化的弹性。
45.一种形成流体不可渗透的超声换能器的方法，所述方法包括：
由流体不可渗透的材料形成基本上中空的外壳，所述外壳具有内部腔和开放的第一端；
由所述流体不可渗透的材料形成换能器头元件，所述换能器头元件的大小被设定成与所述外壳的开放的第一端连接；
在所述头元件的前表面上形成聚焦透镜，所述聚焦透镜被构造成朝焦点聚焦超声；
将所述头元件与所述外壳的第一端联结以形成流体不可渗透的接头，所述头元件定位成使得所述聚焦透镜远离所述外壳指向；以及
将致动器结合到所述换能器头的与所述前表面相对的后表面，所述致动器能够操作以产生所述聚焦透镜的振荡机械振动，使得从所述聚焦透镜朝所述焦点发射超声。
46.根据权利要求45所述的方法，其中将所述头元件与所述外壳的第一端联结包括将所述头元件与所述外壳焊接在一起。
47.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中形成所述聚焦透镜包括通过精密加工过程从所述头元件的前表面移除材料。
48.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
将背衬材料插入所述外壳中所述致动器附近和后面；以及
用密封剂基本上填充所述外壳的内部腔的其余部分。
49.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
将匹配层施加到所述聚焦透镜，所述匹配层包括具有对应于根据等式
Figure FDA0002801580480000051
的Zm的匹配声阻抗的材料，其中，Zl为对应于所述头元件的第一声阻抗，并且Zc为对应于介质的第二声阻抗。
50.根据权利要求49所述的方法，还包括：
减小所述匹配层的厚度，以使所述厚度符合在标称频率下通过所述匹配层的声信号的四分之一波长的奇数倍。
51.根据权利要求49所述的方法，还包括：
以对应于在标称频率下通过所述匹配层的声信号的四分之一波长的奇数倍的厚度施加所述匹配层。
52.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
将背衬材料插入所述外壳中所述致动器附近和后面；
将导电环元件邻接所述致动器并且围绕所述背衬材料的周边插入所述外壳中，所述导电环具有内导电部分和外导电部分；
使所述致动器的第一电极与所述导电环元件的内导电部分接触；以及
使所述致动器的第二电极与所述导电环元件的外导电部分接触。
53.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
将衰减层邻近所述聚焦透镜施加到所述头元件的周边。
54.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
将匹配层施加到所述聚焦透镜，所述匹配层具有比所述换能器头的第一声阻抗小的匹配声阻抗。
55.一种形成流体不可渗透的超声换能器的方法，所述方法包括：
由流体不可渗透的材料形成基本上中空的外壳，所述外壳具有内部腔和限定换能器头元件的封闭的第一端；
在所述头元件的前表面上形成聚焦透镜，所述聚焦透镜被构造成朝焦点聚焦超声；以及
将致动器结合到所述换能器头的与所述前表面相对的后表面，所述致动器能够操作以产生所述聚焦透镜的振荡机械振动，使得从所述聚焦透镜朝所述焦点发射超声。
56.根据权利要求55所述的方法，其中形成所述聚焦透镜包括从所述头元件的前表面移除材料。
57.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
将背衬材料插入所述外壳中所述致动器附近和后面；以及
用密封剂基本上填充所述外壳的内部腔的其余部分。
58.根据权利要求57所述的方法，还包括：
将导电环元件邻接所述致动器并且围绕所述背衬材料的周边插入所述外壳中，所述导电环具有内导电部分和外导电部分；
使所述致动器的第一电极与所述导电环元件的内导电部分接触；以及
使所述致动器的第二电极与所述导电环元件的外导电部分接触。
59.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
将匹配层施加到所述聚焦透镜，所述匹配层包括具有对应于根据等式
Figure FDA0002801580480000061
的Zm的匹配声阻抗的材料，其中，Zl为对应于所述头元件的第一声阻抗，并且Zc为对应于介质的第二声阻抗。
60.根据权利要求59所述的方法，还包括：
减小所述匹配层的厚度，以使所述厚度符合在标称频率下通过所述匹配层的声信号的四分之一波长的奇数倍。
61.根据权利要求59所述的方法，还包括：
以对应于在标称频率下通过所述匹配层的声信号的四分之一波长的奇数倍的厚度施加所述匹配层。
62.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
将衰减层邻近所述聚焦透镜施加到所述头元件的周边。
63.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
将匹配层施加到所述聚焦透镜，所述匹配层具有比所述换能器头的第一声阻抗小的匹配声阻抗。
64.一种从流体储存器喷射液滴的方法，所述方法包括：
使用包括根据权利要求1-44中任一项所述的换能器的流体不可渗透的换能器；
将所述聚焦透镜浸没在声学介质中，所述声学介质定位成将声能从所述换能器耦合到所述储存器；
由所述致动器以构造成使液滴从所述储存器的流体表面喷射的频率生成声脉冲；以及
通过所述聚焦透镜将所述声脉冲从所述致动器传递到所述流体储存器。
65.一种对结构执行超声测试的方法，所述方法包括：
使用包括根据权利要求1-44中任一项所述的换能器的流体不可渗透的换能器；
将所述聚焦透镜浸没在与所述结构流体接触的声学介质中；
由所述致动器生成声脉冲并且指向所述结构的被扫描区；
接收对应于所述被扫描区的声脉冲的回波；以及
基于所述回波的特性来确定所述结构的被扫描区的物理参数。
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