CN114377932B - 一种多点聚焦声场调制超声换能器及制备方法、调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超声操控、超声神经调控技术领域，特别涉及一种多点聚焦声场调制超声换能器及制备方法、调制方法；本发明的多点聚焦声场调制超声换能器包括相粘合的聚焦声场位置随入射频率变化的声人工结构和平面超声换能器；本发明可以进行多点动态超声场调制，其具有声场聚焦位置随频率变化的声人工结构，只需要快速调制超声换能器激发超声波的频率，即可实现动态多点聚焦声场调制。
Description
技术领域
本发明涉及超声操控、超声神经调控技术领域，特别涉及一种多点聚焦声场调制超声换能器及制备方法、调制方法。
背景技术
当前超声波应用技术的主要核心是声场调制，如利用超声波进行粒子操控，利用超声波进行超声神经调控等应用，调制特殊的声场可用于复杂多变的应用环境，同时实现多功能应用，超声波多点聚焦声场可用于多粒子的同时操控，以及多个神经核团同时刺激。
然而，目前主要是利用阵列式超声换能器实现超声波多点聚焦，由于阵列式超声换能器整体结构庞大、控制系统复杂、制作成本较高等问题，在很多领域都无法应用。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供了一种多点聚焦声场调制超声换能器，其可以进行多点动态超声场调制，其具有声场聚焦位置随频率变化的声人工结构，只需要快速调制超声换能器激发超声波的频率，即可实现动态多点聚焦声场调制；还提供了一种多点聚焦声场调制超声换能器的制备方法和调制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种多点聚焦声场调制超声换能器，其中，包括相粘合的聚焦声场位置随入射频率变化的声人工结构和平面超声换能器。
作为本发明的一种改进，所述声人工结构包括由超声换能器匹配层与医用硅橡胶层组成的同心圆环结构。
作为本发明的进一步改进，所述声人工结构还包括处于所述同心圆环结构的下方的匹配材料层。
作为本发明的更进一步改进，所述声人工结构还包括处于所述匹配材料层的下方的压电陶瓷层。
作为本发明的更进一步改进，所述同心圆环结构由超声换能器匹配材料制成的同心环与医用硅橡胶制成的同心环交叉嵌合而成。
作为本发明的更进一步改进，发射的不同频率的超声波由可编程信号发生器控制。
一种多点聚焦声场调制超声换能器的制备方法，其中，包括如下步骤：
步骤S1、用3D打印制作同心环的医用硅橡胶的摸具；
步骤S2、将液态的医用硅橡胶灌入模具中，待医用硅橡胶固化后取下；
步骤S3、将液态匹配层材料灌入医用硅橡胶的同心环中；
步骤S4、在匹配层固化之前与平面超声换能器粘合。
一种多点聚焦声场调制超声换能器的调制方法，其中，调节不同频率的超声波信号，焦距随着入射频率的变化而变化，产生不同的声场焦距，从而调制出动态式多点聚焦声场。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明可以进行多点动态超声场调制，其具有声场聚焦位置随频率变化的声人工结构，只需要快速调制超声换能器激发超声波的频率，即可实现动态多点聚焦声场调制。
附图说明
图1为本发明的多点聚焦声场调制超声换能器的声人工结构的同心同环结构示意图；
图2为本发明的多点聚焦声场调制超声换能器的结构剖面图；
图3为本发明的多点聚焦声场调制超声换能器的制备方法的步骤框图；
图4为本发明的多点聚焦声场调制超声换能器的声人工结构调控声波聚焦理论仿真结果图一(入射频率为3MHz)；
图5为本发明的多点聚焦声场调制超声换能器的声人工结构调控声波聚焦理论仿真结果图二(入射频率为2.8MHz)；
图6为本发明的多点聚焦声场调制超声换能器的声人工结构调控声波聚焦理论仿真结果图三(入射频率为3.2MHz)；
附图标记：A1，A2，A3，A4，A5为换能器匹配层材料制备的同心圆环；B1，B2，B3，B4为医用硅橡胶材料制备的同心圆环；1-压电陶瓷；2-匹配层材料；3-匹配层材料制备的同心圆环结构；4-医用硅橡胶材料制备的同心圆环结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参照图1至图6，本发明的多点聚焦声场调制超声换能器，包括相粘合的聚焦声场位置随入射频率变化的声人工结构和平面超声换能器。
其中，声人工结构包括由超声换能器匹配层与医用硅橡胶层组成的同心圆环结构；同心圆环结构由超声换能器匹配材料制成的同心环与医用硅橡胶制成的同心环交叉嵌合而成。
如图2所示，声人工结构还包括处于所述同心圆环结构的下方的匹配材料层及处于所述匹配材料层的下方的压电陶瓷层。
在本发明内，发射的不同频率的超声波由可编程信号发生器控制。
具体地讲，本发明涉及的动态多焦点聚焦调制超声换能器主要用于水浸式超声应用，超声波频率范围在0.5MHz到50MHz。
本发明的超声换能器涉及的声人工结构主要是由超声换能器匹配层和医用硅橡胶组合而成，其中匹配层和硅橡胶均是由多个同心环组合而成，根据仿真计算结果，圆环个数越多产生的焦斑越小，一般情况下圆环的个数为4个；本发明涉及的人工结构中，匹配层的同心环半径满足以下公式：
公式中，F是指设定的超声波焦距；n是同心环的个数；λ＝c0/f是设定声波焦距所对应的波长，且c0是超声波在水中的传播速度，f是对应的入射超声波频率；
上述公式变形可得：
从次公式可以看出，当λ在一定范围取值时，焦距F与λ呈线性关系，与入射频率呈正比；即焦距随入射频率的增加变大。
本发明涉及的声人工结构，对于不同频率的超声波信号，产生的声场焦距不同。
超声波通过本发明涉及的人工结构中换能器匹配层和医用硅橡胶之后的声波相位差为pi/2，因此匹配层和医用硅橡胶的相对厚度t满足以下公式：
π/2＝(c1+c2+2c0)t/c0；
其中，c1和c2分别是匹配层和医用硅橡胶的声速。
本发明涉及的超声换能器发射的不同频率的超声波是由可编程信号发生器控制，将编好的程序输入进信号生成器中，实现超声波频率快速变换；本发明涉及的超声换能器可通过调节激发频率产生不同聚焦位置的超声场。
本发明还提供了一种多点聚焦声场调制超声换能器的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1、用3D打印制作同心环的医用硅橡胶的摸具；
步骤S2、将液态的医用硅橡胶灌入模具中，待医用硅橡胶固化后取下；
步骤S3、将液态匹配层材料灌入医用硅橡胶的同心环中；
步骤S4、在匹配层固化之前与平面超声换能器粘合。
具体地讲，本发明涉及的同心环匹配层和医用硅橡胶制作过程如下：先用3D打印制作同心环的医用硅橡胶的摸具，然后将液态的医用硅橡胶灌入模具中，待医用硅橡胶固化后取下，再将液态匹配层材料灌入医用硅橡胶的医用硅橡胶的同心环中，在匹配层固化之前与平面超声换能器粘合，即可完成超声换能器的制作。
本发明的多点聚焦声场调制超声换能器由聚焦胜场位置随入射频率变化的声人工结构和平面超声换能器结合制备，通过快速调控超声换能器发射频率，实现多点聚焦声场调制。
本发明还提供了一种多点聚焦声场调制超声换能器的调制方法：调节不同频率的超声波信号，焦距随着入射频率的变化而变化，产生不同的声场焦距，从而调制出动态式多点聚焦声场。
本发明主要是利用声人工结构调制声场聚焦，此人工结构的主要原理是声波的菲涅耳衍射原理，而且此人工结构对不同的入射频率具有不同的声场调制效果，焦距会随着入射频率的增加而增加，当快速切换入射频率时，就会产生多点聚焦的效果；其相比于现有的电子相控阵超声换能器，本发明涉及的超声换能器结构较小、制备简单，且只需要简单的编程实现多点聚焦声场动态调控。
本发明涉及的超声换能器主要是利用菲涅耳衍射原理制备的人工结构，而此人工结构对不同频率的入射声波产生的聚焦效果不同，因此可通过快速转换入射频率实现超声波多点聚焦声场的快速调制。本发明涉及的频率范围为1MHz-60MHz，以3MHz入射频率为例，预设换能器焦距为F＝10mm，理论仿真结果如下：当频率为f＝3.0MHz时，仿真声场结果如下图4所示，焦距F＝10mm；当频率为f＝2.8MHz时，仿真声场结果如下图5所示，焦距约为F＝9mm；当频率为f＝3.2MHz时，仿真声场结果如下图6所示，焦距约为F＝11mm；根据仿真的结果可知，本发明所设计的超声换能器随着入射频率改变，焦距发生变化，此理论仿真结果与预计结果一致。
本发明涉及的超声换能器是利用菲涅耳衍射原理，本发明不局限于菲涅耳衍射，基于非线性衍射理论制备的声人工结构与平面超声换能器结合制备的可实现动态多点声场聚焦超声换能器可作为本发明的替代方案；非线性衍射理论制备的人工结构同样是同心圆环，其中圆环的半径计算公式如下：
其中，rm+1和rm分别为第m+1级和第m级衍射圆环的半径；F为焦距，λ＝c0/f为入射声波的波长，c0为水下声速，f为入射声波的频率。
根据公式可知衍射圆环半径不变，当改变入射声波的频率，焦距会随着频率的改变而变化。
本发明设计的超声换能器人工结构是换能器匹配层材料与医用硅橡胶材料结合制备的，但本发明不局限于用两种材料制备的人工结构，单一材料制备的人工结构，例如只利用匹配层材料或者只利用医用硅橡胶材料制备的人工结构，可作为本发明的替代方案。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种多点聚焦声场调制超声换能器，其特征在于，包括相粘合的聚焦声场位置随入射频率变化的声人工结构和平面超声换能器；
所述声人工结构包括由超声换能器匹配层与医用硅橡胶层组成的同心圆环结构；
所述同心圆环结构由超声换能器匹配材料制成的同心环与医用硅橡胶制成的同心环交叉嵌合而成。
2.根据权利要求1所述的一种多点聚焦声场调制超声换能器，其特征在于，所述声人工结构还包括处于所述同心圆环结构的下方的匹配材料层。
3.根据权利要求2所述的一种多点聚焦声场调制超声换能器，其特征在于，所述声人工结构还包括处于所述匹配材料层的下方的压电陶瓷层。
4.根据权利要求3所述的一种多点聚焦声场调制超声换能器，其特征在于，发射的不同频率的超声波由可编程信号发生器控制。
5.一种基于权利要求1-4任一项权利要求所述的多点聚焦声场调制超声换能器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、用3D打印制作同心环的医用硅橡胶的模具；
步骤S2、将液态的医用硅橡胶灌入模具中，待医用硅橡胶固化后取下；
步骤S3、将液态匹配层材料灌入医用硅橡胶的同心环中；
步骤S4、在匹配层固化之前与平面超声换能器粘合。
6.一种基于权利要求1-4任一项权利要求所述的多点聚焦声场调制超声换能器的调制方法，其特征在于，调节不同频率的超声波信号，焦距随着入射频率的变化而变化，产生不同的声场焦距，从而调制出动态式多点聚焦声场。
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