CN113891767A - 通过具有空间变化频率和带宽的声音发射孔生成空间编码声场的传感器和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生成和/或接收空间结构化声场的换能器，包括：总孔(10)，其生成和/或接收声场，其中总孔包括多个子孔(12、14、16、18)，其中子孔中的每一个被配置成接收和/或生成具有特定频谱的超声波，其中子孔中的至少两个的特定频谱不同，并且其中总孔的所有子孔连接到同一电子致动通道。

Description

通过具有空间变化频率和带宽的声音发射孔生成空间编码声 场的传感器和方法

技术领域

本发明涉及用于空间频率编码声场的声学换能器、使用这种声学换能器检测超声波的方法以及制造用于空间频率编码声场的声学换能器的方法。

背景技术

如今，超声在许多技术领域中具有根本的重要性，包括作为一种成像方法、作为各种应用中的传感器(例如，用于测量流速或距离)或经由超声能量将能量定向引入材料或组织。

为了生成和检测声音，特别是超声，使用换能器，其通常基于电信号(电压或电流)以声压的形式输出声信号，或者相反，基于经由换能器接收的声学信号生成电信号。例如，压电元件可以用于此目的。根据其几何形状(例如直径、材料厚度)和/或其结构或其他材料参数，每个声学换能器生成具有自然焦点、特定频率和特定带宽的限定声场。

由一个元件组成的简单声学换能器通常具有高度对称的连续变化的声场。声压的强烈局部变化只出现在近场中。在远场中，声压通常随着距离的增加而单调下降。这种情况的例外是所谓的旁瓣，根据特定角度的孔大小与波长之间的关系，旁瓣在声场中产生衍射诱导的局部最大值。利用单元件传感器，声场中依赖于对象或介质的变化最初可以被一维地检测到，基本上沿着声束或形成的主瓣。

如果期望生成结构化的声场，那么可以使用透镜或弯曲的孔，例如，这样可以将声音集中在一个固定的点上。然而，在这一点上，声场的变化或多样性与没有透镜或聚焦的声场没有明显不同。

使用所谓的阵列技术可以进一步结构化声场。这些阵列通常由周期性布置、单独控制的换能器元件组成。它们应该尽可能相同，并且以相同的频率发射，以便能够合成或分解来自单独元件的声场。通过这些元件彼此相对的时间或相位延迟控制，声场可以例如聚焦到一个点上或以一个角度扫过。以这种方式，可以电子方式实现声场的聚焦。单独延迟是基于几何模型计算的。通过随时间改变控制，声场可以动态改变。然而，为了获得良好的分辨率，需要大的阵列，因此需要大量的技术工作，特别是由于控制和信号采集需要大量的通道和连接。

同样，阵列也可以用于空间分配检测到的信号，即获得关于表面或体积的信息，例如用于三维成像、三维表面检测、三维距离检测或材料/组织表征。然而，缺点仍然是随着分辨率的增加，阵列的制造成本和复杂性非常高，因为对于每个传感器，即阵列的每个元件，需要独立的发送-接收通道。此外，尽管集成密度很高，但空间要求非常高。

此外，所谓的声全息图或相位板可用于生成生结构化声场，其中局部分辨超声波的复杂时间延迟或相移被拓扑编码。这样，例如，可以在流体中形成结构化的超声场。然而，它们不适合空气传播的声音或低频范围，并且衰减和多次反射会带来问题。

发明内容

根据本发明，提出了具有独立权利要求特征的声学换能器、声学换能器的制造方法和使用这种声学换能器的检测方法。有利的实施例是从属权利要求和以下描述的主题。

特别地，提出了一种用于生成和/或接收空间结构化声场的声学换能器，其包括总孔，总孔生成和/或接收声场，总孔包括多个子孔，子孔中的每一个被设置成接收和/或生成具有特定频谱的超声，其中子孔中的至少两个子孔的特定频谱彼此不同，并且其中总孔的所有子孔连接到同一电子驱动通道。由于单一的公共电子驱动通道，声学换能器可以在非常小的安装空间中以低成本实现，而不必牺牲声场的空间信息。超声传感器仅使用一个电发送-接收通道可以将成本降低100到1000倍，同时将测量范围增加3倍。此外，这种不同类型的传感器适用于所有声学范围，例如空气传播的声音、结构传播的声音、水中的声音、组织中的声音等。

多个子孔可以基本上分布在垂直于声场传播方向的平面中。不同频谱的子孔在总孔上的分布式布置导致空间信息在频率上编码到信号中。在本文中，术语“平面”还可以包括沿着传播方向的预定侧向截面，例如如果使用不同高度或厚度的子孔，或者如果例如孔整体上具有曲率，即它是弯曲的平面。

使用子孔生成不同频谱的一种方式是提供具有至少部分不同直径的子孔。在许多实施例中，孔的直径，例如压电或电容驱动膜的直径，至少部分地决定了所生成的声音频率。

优选地，电驱动通道可以被布置为向子孔输出具有预定频谱的交变信号(例如交变电流信号或交变电压信号)，例如具有高带宽的短脉冲，该交变信号激励每个子孔的至少一个可移动或可振荡元件振荡。根据技术设计，各种各样的装置可以用作可移动元件；虽然由此供应给子孔的交变信号对于每个子孔来说最初是相同的，但是由于子孔的不同设计和尺寸，仍然会产生几个不同的频谱。

在一个可能的实施例中，总孔可以由压电元件例如压电陶瓷或压电复合材料形成，其中子孔由压电元件的不同厚度的区域形成，这些区域可以另外通过切口整体或部分地彼此分离。在这种情况下，压电元件可以优选地以厚度模式操作。以这种方式，获得了具有不同生成频率的区域的单件元件，其可以容易地制造并集成到其他部件中。

根据另一实施例，总孔可以形成为压电或电容式微机械换能器，其中多个子孔形成为多个腔或布置在腔上方的换能器的膜，并且其中膜具有至少部分不同的直径。这些微系统元件允许特别小的设计和与其他元件的简单集成制造，因此可以用于各种传感器。

在替代实施例中，总孔可以由高带宽单个声学换能器连同用于单个声学换能器的无源附着模块形成，无源附着模块包括形成多个子孔的不同频率相关衰减的区域。因此，子孔的不同频谱由单个声学换能器的局部调制生成，其中这些区域可以具有至少部分不同的频率相关衰减曲线。

另一种可能性是通过高带宽的单独声学换能器形成子孔，单独换能器中的每一个之前有电子滤波器，该电子滤波器将单独换能器的带宽限制到特定的频谱。例如，在这种变型中，特别容易使用以类似于阵列的方式布置的相同的单独声学换能器，但是这些单独声学换能器都经由一个电子驱动通道接触在一起。不同的频率由滤波产生，因此空间频率编码由滤波产生。

在另一个实施例中，总孔可以由无源基体形成，该无源基体具有用于多个单独换能器的凹部，多个单独换能器形成多个子孔。在模块化制作中，这里可以通过灵活地适配或更换在每种情况下使用的元件，由预制的一组匹配的单独换能器和基体的匹配凹部形成多个声场。

此外，换能器装置也可以由前述换能器中的每一个形成，其包括多个周期性布置的根据前述实施例之一的换能器，每个换能器具有独立的电子驱动通道并与其连接。以这种方式，再次形成阵列，然而，与常规的换能器阵列相比，该阵列需要相当少的复杂性和努力，特别是对于驱动或检测通道而言。

还提出了一种制造如先前所描述的声学换能器的方法，其中首先预定总孔的期望空间声场分布，然后可以从期望声场分布获得形成总孔的多个子孔的参数，其中参数的获得可以基于例如参数的分析计算、参数的数值计算或参数的模拟方法。因此，可以形成特定结构化的声场，例如形成如成像或材料加工等许多目的所需的限定焦点或其他空间分布。替代地，随机化声场分布可以用于特定目的。

特别地，为了获得子孔的参数，可以首先计算具有特定频谱的部分声场分布使得所有部分声场分布的叠加产生期望空间声场分布，然后为这些获得的部分声场分布中的每一个确定或计算子孔的合适参数。例如，以下各项可以单独地或以任何合适的组合用作待确定的子孔的参数：子孔的尺寸、子孔的几何形状、子孔的可移动元件的厚度、子孔在总孔内的相对布置。也有可能子孔的某些参数是给定的，并且不能改变，例如由于特定换能器的制造的材料性质或规格，而诸如形状的其他参数可以在某些限制内或任意地调整，直到获得期望的声场分布。然而，在其他实施例中，子孔的所有参数可以自由变化，例如当孔被完全重新设计并且要找到期望声场的最佳形状时。

此外，提出了一种使用如上所述的频率编码声学换能器解码空间结构化声场的方法，包括以下步骤：首先，使用声学换能器检测超声信号，该超声信号包括辐射声场的反射信号，其中辐射声场具有预定的空间结构，并且可选地也可以由用于接收(脉冲回波操作)的换能器产生，然后，基于检测到的信号和辐射声场的预定空间结构，计算生成反射信号的反射元件的空间分布。在这种情况下，检测到的超声信号优选地作为声学换能器的一个电驱动通道的输出信号存在，然后可以被相应地处理。

例如，以这种方式计算出的反射器或反射元件的空间分布然后可以用于构造和显示二维或三维图像。

所描述的频率编码换能器在许多特殊应用领域中具有很大的优势。因为，例如，只需要控制或接收一个信号，并且产生的数据量明显低于现有技术，所以这种解决方案特别适合于经由无线电接口连接。功耗和有效载荷或大小也得以降低，从而可以对例如医疗技术中的导管系统进行优化设计。在声纳领域也有很大的优势。所描述的换能器在大小和频率范围方面易于扩展，而不会失去它们的优点和特性，因此可以用于广泛的应用。

从说明书和附图中，本发明的其他优点和实施例将变得明显。

应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，上述特征以及下面将要解释的那些特征不仅可以在每种情况下指示的组合中使用，还可以在其他组合中使用或者单独使用。

参考附图中所示的实施例的示例示意性地示出了本发明，并且下面参考附图描述本发明。

附图说明

图1示意性地示出了根据一个实施例的包括几个不同大小的子孔的换能器的总孔；

图2a至2c示出了具有不同形状的子孔和总孔的换能器变型；

图3a示出了根据一个实施例的高度结构化压电陶瓷换能器；

图3b示出了具有接触电极的图3a的压电陶瓷的分解图，

图3c示出了根据图3a的换能器的声辐射的两种变型，

图3d示出了根据图3a的换能器在壳体中的可能安装；

图4示出了另一个实施例，其中具有不同频谱的子孔由电子滤波器形成；

图5a和5b示出了另一个实施例，其中具有不同频谱的子孔由具有无源附着模块的换能器形成；

图6示出了一个实施例，其中通过在膜处的光声激励生成超声；

图7示出了根据本发明的几个示例性换能器的阵列；

图8示意性地示出了使用示例性声学换能器检测超声的方法步骤，并且

图9示意性地示出了示例性换能器的制造方法的步骤。

具体实施方式

在下文中，描述了一些示例性实施例，其中通过在垂直于传播方向的平面中，即在侧向延伸中，由特定频谱的部分声场组成场，场然后通过叠加形成总孔的频率编码声场，以不同的方式实现声场的频率编码。通过将不同的频率或频谱与空间信息相组合，获得了空间结构化的、频率编码的声场，其中该空间信息通过相应频率的原点位置(place oforigin)被引入到叠加的总声场中。

在这种情况下，总孔仅由单个发送/接收通道控制，即也仅由一个输入信号(例如以AC电压的形式)控制。由此形成叠加总信号的不同频谱优选地由声学换能器的局部不同性质产生。类似地，单个频率编码的检测信号可以通过合适的重建算法提供空间信息。

本发明的基本原理基本上可以用于任何超声生成技术，只要能够根据孔的特性生成局部不同的声学频率。在这种情况下，超声被理解为从高于可听声音频谱开始的声学频率范围，即大约高于20kHz并延伸到GHz范围。例如，医疗应用通常在MHz范围内。然而，一般来说，在超声应用中也可能存在可听频率分量；声波的生成以及这里描述的空间频率编码的叠加根据它们的原理没有区别。

一般来说，声学换能器既可以用作发射器，也可以用作接收器；在这种情况下，施加的信号，例如在相应结构处的交变电流信号，确保对应的元件被激励振荡，从而生成超声波，而相反地，当超声波撞击在元件上，从而触发元件的振荡时，生成电信号，该电信号可以被再次读出并进一步处理。因此，应当理解，下面阐述的超声发射器的所有示例同样可以应用于超声接收器，反之亦然，尽管相应示例可以仅针对声音生成或声音接收进行具体描述。

从单个驱动信号生成空间频率编码的声场或从单个进入信号解码三维声场的一种方式是基于向孔设置子结构或子孔，子结构或子孔中的每一个具有特定的频谱和/或带宽。然后由所有子孔的单独频谱相加或相减形成声场。原则上，子孔的频率也可以至少部分相同，但是子孔与子孔之间也可以不同。

图1示出了这种换能器的示意图，该换能器具有包括多个不同大小的子孔12、14、16、18的总孔10。优选地，子孔以其他方式设计，使得不同的大小或直径在每种情况下导致不同的生成频率。多个子孔也可以具有相同的设计，或者例如为子孔预先确定一定数量的基本类型，然后根据需要将这些子孔组合起来形成总孔。例如，两个或更多个子孔14可以具有相同的直径和特定的频率，而其他子孔12、16、18可以具有更大或更小的尺寸。子孔的其他参数也可以改变，例如膜的厚度或迁移率，使得即使直径相同，也可能产生不同的频率。所有子孔在其总面积上一起形成总孔10。在这点上，该图示的基本原理可以应用于各种实施例。

如图1所示的换能器10的示例性实施例是MEMS(微机电系统)传感器，即基于振动膜使用微系统技术制造的声换能器，例如作为压电换能器(PMUT，压电微机械超声换能器)或作为电容换能器(CMUT，电容微机械超声换能器)。

CMUT换能器是超声换能器，其声音生成基于静电感应位移和相关的距离变化。CMUT换能器可以在用作第一电极的硅衬底中具有腔，并且可以被用作第二可移动电极的薄的金属化膜覆盖。当AC信号施加到两个电极上时，膜被激励振动并生成超声波，使得CMUT换能器作为发射器操作。另一方面，当膜被入射超声波振动时，CMUT换能器的电容改变，生成交变信号，并且CMUT换能器作为测量单元操作。也可以使用诸如基于聚合物的CMUT元件(polyCMUT)的改进或进一步发展。

以类似的方式，PMUT换能器基于这样的事实，即具有接触电极的压电膜安装在微机械制作的腔上，例如在硅衬底中，该腔生成或接收超声场。

这些微系统元件的优点是，例如，它们易于制造，大小较小，成本低，并且也可以以集成方式制造。

利用这种类型的传感器或换能器，频率现在可以多样化，例如，仅基于膜直径或腔直径。

例如，cMUT或pMUT的总孔10可以如图1所示形成，并且可以具有不同直径的多个膜12、14、16、18作为子孔。不同的直径然后提供不同的自然模式，从而提供不同的激励超声频率。同样，也可以调整多个子孔12、14、16、18的布置，以改变由单独频率或单独频谱组成的声场。

此外，还可以改变膜或腔的形状，例如，由于自然振动频谱对形状(圆形、方形、六边形等)的依赖性，从而实现具有相同侧向尺寸的cMUT电极的振动膜的不同频率。总孔的基本形状可以保持不变，或者也可以进行修改，例如以实现膜的特定空间分布。

图2示出了复合孔的三个示例性实施例，其也可以被设计为例如cMUT或pMUT元件。

图2a示出了总孔20的矩形基本形状以及作为子孔的几个矩形膜22、24、26、28的变型。如在前面描述的实施例中，膜可以具有不同的以及部分相等的直径，相应的直径被选择成使得振动发生器生成的频率和局部分布导致期望的声场。子孔的基本形状也可能或多或少不同；可以使用形状相同，只是直径不同的膜，以及如图所示的不同矩形形状的膜。这里，膜可以像元件22、24和26一样是对称的，或者像元件28一样仅仅是部分对称的，这例如也可以对相关的振动模式产生影响。

图2b示出了六边形的基本形状作为孔，具有几个六边形膜，而图2c示出了圆形孔，具有不同形状和直径的子孔或膜。图2c示出了圆形孔，具有不同形状和直径的子孔或膜，包括圆形、矩形和六边形膜。应当理解，形状和大小可以任意选择，并且孔和子孔的其他对称或非对称形状也是可以想到的，这使得能够有利地生产膜和附着压电元件或可移动电极，并且其频谱总体上生成期望的声场。

图2a至2c中所示的所有变型尤其可以用任何微系统工程换能器来实施，微系统工程换能器尤其是已经描述的cMUT和pMUT元件。

例如，除了上述变型的补充或作为其替代，cMUT或pMUT元件中的膜或可移动板的厚度也可以在孔上变化，这也导致由于振动特性的变化而引起的频率变化。

单独子孔的合适的直径、形状和布置的确定可以根据特定的规格来选择，或者例如通过适当的数值和/或分析计算、模拟方法和近似来找到。随机布置和参数选择也是可能的。

如已经概括描述的，具有各种不同膜的整个孔通过单信号通道电接触，当用作超声发射器时，交变电压可以通过该信号通道施加到电极/压电元件，而当用作超声接收器时，单个调制信号可以通过孔的信号通道接收，然后三维信息可以通过适当的信号处理获得。

另一个可能的实施例基于传感器，传感器基于压电活性材料，例如压电陶瓷例如锆钛酸铅(PZT)，压电复合材料例如1-3复合材料，其通常包括与聚合物组合的压电陶瓷元件，具有压电效应的PVDF膜，印刷或沉积的压电活性材料等。同样在这种情况下，组合期望声场的不同频率以及因此声场的空间编码可以通过在总孔上的适当图案化来实现。

通常，基于压电陶瓷的换能器以厚度模式操作。因此，在这种情况下，可以通过改变有源区平面中的高度分布来实现频率编码。图3a以示意性三维视图的形式示出了由不同厚度的结构化压电陶瓷30形成的这种总孔的示例。由于陶瓷材料的不同厚度32，该元件在孔的不同位置36a、36b发射不同的超声频率。因此，总孔的最终频率信号是来自具有不同厚度的所有子区域的频率信号的叠加。

不同厚度的区域36a、36b可以被认为是单独的子孔。不同厚度的区域由此可以如图所示连续地彼此过渡，或者可以替代地通过合适的侧向结构化彼此完全或部分分离地形成，从而形成独立的子孔。

如图所示，两个基本表面34中的一个可以是平面的，而另一个表面32具有高度轮廓。图3b示出了如图3a所示的压电陶瓷的整体结构，其中接触电极38和39布置在两个基本表面上。同样，在原则上，一种结构是可能的，其中两个基本表面都是结构化的，并且没有纯平面表面。

图3c示出了穿过这种压电陶瓷的两个截面，其中在第一替代方案中，i)经由弯曲表面32作为孔示出声辐射，而在第二替代方案中，ii)平面表面34被提供为孔，因此声辐射经由该表面发生。特别地，使用平面表面34作为孔使得例如在合适的壳体中安装没有问题。

这种结构在图3d中示出，其中具有高度轮廓的压电陶瓷元件作为声学换能器30插入壳体301中。壳体301的侧向表面和尺寸可以自由选择，因此可以简单地竖直变平，如这里所示。这里，面向上的平坦外表面34形成压电陶瓷元件30的声音生成或声音接收孔。相比之下，压电陶瓷的高度轮廓表面32嵌入或模制到合适的载体材料302中，并且可选地由合适的载体材料302固定，载体材料302也填充壳体的剩余部分。支撑材料302可以同时用作壳体301中压电陶瓷30的固定件。经由致动通道的电接触在该图中不可见，但是可以再次经由平面电极进行，如图3b所示。

虽然前述示例基于具有用于生成不同声学频率的空间变化子结构的总结构，但是也可以选择其中具有特定频谱的单独结构被组装以形成总孔的实施例。

在用于生成和/或检测频率编码声场的另一个可能的实施例中，提供了中性基体，其中提供了用于单元件声学换能器的多个凹部或插入物，这些凹部或插入物形成子孔。因此，可以形成基本形状，例如，如图1或图2a至图2c所示，使得基体形成总孔10或20，而凹部或插入物可以对应于其中描述的膜12、14、16、18或22、24、26、28，并且可以相应地成形为例如任何期望形状的基体中的矩形单独声学换能器。基体中的所有单元件声学换能器再次电接触在一起。声学换能器可以具有不同的频率和带宽，例如通过适当选择它们的直径或其他参数。然后，所有特别布置的单独声学换能器的组合与基体一起形成总孔。

为了灵活地生产这种元件，还可以想到从给定的基体与用于声学换能器的N个凹部或插入物以及可以插入这些凹部中的N个声学换能器的组合中找到适合于相应应用条件的合适变型。因此，在组合N！中可以找到不同的声场变型并相应地进行调适。同样，不同的可插入换能器可以用于具有预期直径的插入物，例如具有不同的膜和激励特性的插入物。可以使用数值求解方法来识别将N个换能器理想地分配到基体中的N个位置或插入物。

进一步的实施例依赖于基于高带宽基本结构的子结构频率的局部调制。

图4示出了这样一个示例，其中使用单独声学换能器40a，40b，40c，...，40n形式的单独子孔，它们同样都是经由公共电通道48来控制的，但是随后设有不同的频谱滤波器42a，42b，42c，...，42n用于频率的局部修改。在这方面，单独子孔40a，40b，40c，...，40n也可以彼此相似或者甚至相同，使得制造变得特别简单。优选地，子孔应该具有非常高的带宽，以便通过滤波允许足够的频率变化。频谱滤波器42a、42b、42c、42n可以由适当的电路实施。这样，特定的频率和带宽可以被分配给单独子孔。例如，包括电阻器45、线圈44和电容器43的公共RLC元件可以用作滤波器，并且根据所需频率的需要针对子孔中的每一个进行修改。例如，基于PVDF膜的换能器适合于生成高带宽。然而，同样地，子孔可以由其他元件形成。例如，当对单独子孔使用基于微系统的换能器(cMUT、pMUT)时，具有相关联电子滤波器的换能器可以直接集成在硅片上。在图中，并排示出了一行声学换能器，但是这些声学换能器也可以以任何布置提供，例如圆形或具有多列和多行的网格。所有滤波的换能器40a，40b，40c，...，40n然后又形成总孔，叠加了来自所有子孔的频谱。

另一个实施例使用用于换能器的无源附加模块或附着模块。这在图5a中示出为一个示例。这里，具有优选高带宽的单个孔(即，单个声学换能器)50之前是无源附加模块52，其至少部分地发送所生成的声音并导致空间可变的特定频率和/或带宽。换能器再次仅连接到一个驱动通道58。这可以例如通过以位置相关的方式(同样，分布在孔平面上或基本平行于孔平面)为无源附着模块52提供不同频率相关衰减的区域54、56来实现。图5b示出了根据图5a的复合总孔的横截面，由此声学换能器50可以永久地或可更换地连接到附着模块52。因此，由声学换能器50生成的声音在离开孔之后通过这些不同的区域54、56发送，使得具有不同特定频率和带宽f₁，f₂，f₃，....f_n的不同子孔根据衰减性质的分布形成在附着模块的后方。作为示例，图5a还示出了对应的示意性衰减曲线55、57和吸声系数α，单位为db/cm，其相对于衰减区域或子孔中的两个的声学频率绘制。虽然此处示出的是线性衰减曲线，但根据材料的不同，也可能出现和使用其他频率相关曲线。在所示的示例中，区域54在所有频率的衰减55比具有衰减曲线57的区域56更强，但是对于高频尤其如此。

可选地，无源附着模块52可以至少部分地在其整个孔区域中发送，或者可以被配置成使得单独子孔之间没有声音或声波发出的区域59也形成在背离声学换能器50的一侧(即，孔的辐射区域)。这种无源模块52可以容易地制造和修改，使得可以使用公共宽带声学换能器50和例如可更换的附着模块52生成各种不同结构化的声场。根据所使用的材料，无源附着模块可以以特别简单和便宜的方式制造，并且特别适合于应用。再次，也可以使用除所示形状之外的其他基本形状，例如基于已经在图2中示意性示出的形状。

除了通过所有不同设计的压电或电容换能器生成声音之外，本发明还可以考虑超声生成的其他可能性，例如通过脉冲激光束生成光声声波，如图6所示。激光束61的能量在吸收材料上的吸收提供了短时间的局部加热和膨胀，使得辐射膜60或其他合适元件的适当长度和频率(例如在纳秒范围内)的重复脉冲产生膜的振动，并因此产生对应的超声场。如果这种膜60形成有不同厚度和/或吸收的局部区域62、64，如图6所示，然后用合适脉冲频率的脉冲激光61照射，可以生成超声信号，该超声信号再次被空间和频谱编码。在这点上，具有不同参数的膜区域62、64形成了如前面示例中的子孔。示例性地，图中示出了区域62、64所得到的频率曲线63、65中的两个。同样，再次，不同吸收或不同振动特性的区域可以直接彼此合并或通过其他区域彼此分离，从而例如可以在膜60上提供在对应波长范围内不吸收或几乎不吸收的区段。

用于激励或控制换能器的一个通道在这里对应于具有预定频率和脉冲持续时间以及预定波长的激光脉冲61的辐射，通过例如激光光纤68照射到总孔上。同样，允许在一定范围内改变波长的可调谐激光器可以用于激励。再次，基本圆形形状仅作为示例性实施例示出，并且可以替代其他形状。

原则上，所有其他的声音生成方法也可以用于本发明的实施例，只要由此可以主动或被动地实现发射的超声波频率的空间变化。例如，也可以想到通过机械、电磁、电动(感应)、电致伸缩或其他过程生成超声信号的方法。

如图7所示，具有子孔72a/b/c、74a/b/c、76a/b/c的几个频率编码换能器70a、70b、70c、70d、...、70n可以被连接以形成如上在另一实施例中所述的阵列。以这种方式，显著扩大的视野或更大的工作区域已经可以用明显更少的阵列元件覆盖，特别是，比通常减少了技术和电子努力。许多单独的工作体积被组合成具有单独换能器的已知位置的大的总体积。因此，如同在常规阵列中一样，根据本发明的换能器70a、70b、70c中的每一个都可以经由通道80、82、84被单独控制，而用于每个特定总孔的换能器的子孔72、74、76分别经由这些通道被联合控制。这里，为了清楚起见，在图中仅示出了单独的子孔和孔，作为具有接触或电通道的示例，当然，通常所有相关联的子孔各自都连接到相应换能器的驱动通道，并且阵列中的每个换能器都具有其自己的驱动通道，即使在该图中没有示出。这个实施例可以与前面实施例中的任何实施例相组合；例如，可以如图1和2的示例中那样形成微系统换能器阵列；但是同样可以通过在单个无源基体中形成例如四个限定的换能器组来形成阵列，该无源基体具有多个单独的换能器，优选地根据它们的空间布置，并且为每个组提供电驱动通道，使得每个单独的换能器或子孔组一起形成总孔。

上述所有换能器及其变型都可以用作声音发生器和/或声音接收器。对于成像和其他检测方法，同一换能器也可以优选地同时用作发射器和接收器；然而，原则上，两个独立的声学换能器也可以用于此目的，只要由发生声学换能器发射的声场是已知的并且因此可以用于解释反射和散射信号。

为了从具有空间频率编码声场的这种换能器的接收信号中实现空间明确的分配，可以应用各种计算方法。

本质上，可以认为发射总孔的空间频率编码声场包括不同子孔的声场的叠加，子孔中的每一个具有特定的频谱和相关联的振幅。所得到的声场可以用以下函数来表示

h(x,y,z,t)

其中t代表时间，x,y,z代表点(x,y,z)的空间坐标。然后，函数h描述反射器在点(x,y,z)的反射信号，例如从组织或一块材料反射的信号随时间的压力。函数h可以存储在矩阵表示中，其中每个列索引代表空间中的一个点r＝(x,y,z)，每个行索引代表一个时间点。如果反射器在体积中的分布由b(x,y z)

描述，则由b描述的反射器组合的结果信号

可以由

获得。因此，如果信号

被换能器检测到并且发射孔的声场h是已知的，则可以通过反转

来确定反射器的分布。

这样，三维信号检测在广泛的应用中是可能进行的。图8示意性地示出了使用频率编码声学换能器的检测方法的示例性方法步骤。首先，在步骤80中，生成具有已知空间分布h的频率编码的声场，并且该声场撞击感兴趣的对象，其中声音至少部分被反射。在步骤82中，如先前所描述，反射的超声信号

由声学换能器检测，并作为单个信号传递到处理单元，例如合适的处理器。在那里，在步骤84中，使用关于辐射声场h的信息，通过合适的算法或计算来重建它，并且因此获得反射器b的空间分布。最后，在步骤86中，该结果可以被进一步处理和再现，例如以图像数据的形式。

同样，根据示例性实施例的换能器可以用于不需要成像的应用，但是将生成特定于应用的声场模式，例如限定的焦点位置或者更复杂的声场。这适用于例如超声治疗，其中焦点将被定位在组织中的特定位置。因此，可以形成特定的超声场，例如用于制造过程，例如用于材料局部固结的超声诱导相转移。

为此，可以使用各种分析计算、数值法、模拟和类似方法来计算给定实施例的必要制造参数，以便从中形成期望的声场F。图9示出了用于设计声学换能器的方法的示例性步骤。频率编码的类型是特定于应用的。在步骤90中，定义或选择期望的声场分布(F(x,y,z),F:

)，然后在步骤92中，通过合适的方法搜索或计算一组空间分布的部分声场，当所有部分声场叠加时，这产生期望的声场分布F。然后，在下一步骤94中，可以选择能够产生所需的部分声场的合适的子孔。因此，子孔的设计也取决于实施例的选择。替代地，模拟或计算可以直接优化合适的子孔，直到叠加的声场对应于期望的空间结构化，例如从对称或均匀分布的初始配置或从相同的子孔开始，然后根据声场期望的焦点位置和空间结构对其进行修改。如图所示，步骤92和94可以可选地重复或运行多次，例如为了在多个步骤中进一步优化设计。最后，找到的参数可以在步骤96中进一步处理，转移到处理单元，存储或以其他方式使用。

在某些情况下，也可以选择随机化的频率编码以及子孔的随机化形成和布置。例如，当使用基于压缩感测的成像时，这种随机化或伪随机化的频率编码是可能的。

可选地，制造参数，例如材料成本或边界条件，例如孔的最大尺寸，也可以包括在对应的模拟程序中，以便考虑这些方面，为期望的总声场找到子孔的最佳分布和设计。

用于制造这种空间频率编码换能器的示例性方法可以例如以合适的软件和/或硬件的形式实施，其中实施了对应的模拟或计算方法。然后，可以将结果直接并入到例如超声波换能器的制造方法中。根据制造方法，通过计算或模拟找到的参数可以直接转发到加工中心或其他制造系统，并在那里实施。替代地，可以以适当的方式存储、显示和/或发送结果。

一般来说，所描述的具有频率编码声场的换能器可以用于各种各样的技术领域。这些包括，例如，用于体积距离、水平和流量测量的传感器，例如在汽车领域；用于医学诊断和治疗的超声，例如也用于医学治疗或刺激的聚焦超声(高强度聚焦超声，HIFU)；医学和非医学应用中的三维成像；无损材料测试，例如在制造过程中和用于测试目的；系统的三维状态监测；各种领域的表面检测，例如空气、水、组织、固体；声纳系统；超声辅助材料加工和三维材料结构化；3D打印过程；例如粒子或细胞的三维操纵；距离测量，如机动车辆保险杠上的传感器等。在这些应用中的许多应用中，所描述的传感器或换能器可以确保需要更少数量的传感器，例如保险杠中只有单个传感器，而不是三至五个惯用的传感器，同时能够进行三维测量，而没有扩展的信号开销。单通道发送带来的少量数据为经由无线电接口和其他领域的发送提供了巨大优势。总体而言，电子接触件和信号通道的小尺寸和显著减少确保了成本的大幅降低。

根据面积，声学换能器可以仅用于生成超声，仅用于检测超声波，或者可以组合用于生成和检测超声场，例如成像所需要的。可选地，可以使用几个声学换能器，例如包括两个换能器元件的组合元件，其中一个用于接收，另一个用于生成声场。

一般来说，根据本发明的换能器特别适用于数字化工业应用(所谓的工业4.0)，例如，由于整个孔仅由一个电子控制/接收通道控制而节省了安装空间和成本，并且集成程度可能很高(例如，与晶片或印刷电路板上的其他部件集成生产)。由这种换能器检测到的声场的重建可以用相对较低的计算量来实现，同时显著降低了电气或电子元件的复杂性。

Claims (15)

1.用于生成和/或接收空间结构化声场的声学换能器，包括：

总孔(10，20，30，52，60，70)，其生成和/或接收所述声场，

其中所述总孔包括多个子孔(12，14，16，18；22，24，26，28；36a，36b；40a，40b，40n；54，56；62，64)，

其中所述子孔中的每一个被布置成接收和/或生成具有特定频谱的超声，

其中所述子孔中的至少两个子孔的特定频谱彼此不同，并且

其中所述总孔的所有子孔连接到同一电子驱动通道(38，39；48；58；80，82，84)。

2.根据权利要求1所述的声学换能器，其中所述多个子孔基本上分布在垂直于所述声场的传播方向的平面中。

3.根据权利要求1或2所述的声学换能器，其中所述多个子孔具有至少部分不同的直径。

4.根据前述权利要求中任一项所述的声学换能器，其中所述电驱动通道被布置成向所述子孔输出具有预定频谱的交变信号，所述交变信号激励每个子孔的至少一个可移动元件振动。

5.根据前述权利要求中任一项所述的声学换能器，其中所述总孔由压电元件(30)形成，并且其中所述子孔由所述压电元件的具有不同厚度的区域(36a，36b)形成。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的声学换能器，其中所述总孔由压电或电容式微机械声换能器形成，并且其中所述多个子孔由所述声学换能器的多个膜(12，14，16，18；22，24，26，28)形成，并且其中所述膜至少部分地具有不同的直径。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的声学换能器，其中所述总孔由高带宽单个声学换能器(50)以及用于所述单个声学换能器的无源附着模块(52)形成，所述无源附着模块包括形成所述多个子孔的不同频率相关衰减的区域(54，56)。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的声学换能器，其中所述子孔由高带宽的单独声学换能器(40a，40b，40c，...，40n)形成，其中所述单独声学换能器中的每一个之前是电子滤波器(42a，42b，42c，...，42n)，所述电子滤波器将所述单独声学换能器的带宽限制在特定的频谱。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的声学换能器，其中所述总孔由无源基体形成，所述无源基体具有用于多个单独声学换能器的凹部，所述多个单独声学换能器形成所述多个子孔。

10.一种换能器装置，包括多个周期性布置的根据前述权利要求中任一项所述的声学换能器(70a，70b，70c，....，70n)，每个换能器具有并连接到独立的电子驱动通道(80，82，84)。

11.一种制造根据权利要求1至9中任一项所述的声学换能器的方法，包括：

确定(90)总孔的期望空间声场分布；

从所述期望声场分布获得(94)形成所述总孔的多个子孔的参数，

其中获得所述参数包括以下各项中的至少一项：所述参数的分析计算、所述参数的数值计算、所述参数的模拟方法。

12.根据权利要求11所述的方法，其中获得(94)所述子孔的参数包括：

计算(92)部分声场分布，每个部分声场分布具有特定频谱，使得所有部分声场分布的叠加产生所述期望空间声场分布，以及

获得所述子孔的参数，使得每个子孔被设计成产生所述部分声场分布之一。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中子孔的所述参数包括以下各项中的至少一项：

子孔的尺寸、子孔的几何形状、子孔的可移动元件的厚度、子孔在所述总孔内的相对布置。

14.一种解码空间结构化声场的方法，包括：

检测(82)包括辐射声场(80)的反射信号的超声信号，所述辐射声场具有预定的空间结构，以及

基于检测到的信号和所述辐射声场的所述预定空间结构，计算(84)生成所述反射信号的反射元件的空间分布，

其中使用根据权利要求1至9中任一项所述的声学换能器来检测所述超声信号，并且其中所述超声信号作为所述声学换能器的一个电驱动通道的输出信号存在。

15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：

显示(86)来自所述反射元件的计算出的所述空间分布的二维或三维图像。

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