CN1564717A - 用于产生高压超声波脉冲的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于产生高压超声波脉冲的设备，包含：超声波源，其中包括设置有电极(3)的压电型换能器(2)，并且具有极化方向(f₁)；以及用于将电压施加到超声波换能器(2)电极(3)上的装置(4)，提供用于产生超声波发射：施加一具有与极化方向(f₁)相反的方向(f₂)的电场，然后在与极化方向(f₁)相同的方向(f₃)上施加一瞬态电场。本发明的特征在于：装置(4)施加一具有上升时间的渐变电压，以在比导致压电超声波换能器去极化的周期短的周期内产生一具有与极化方向(f₁)相反的方向(f₂)的电场。

Description

用于产生高压超声波脉冲的设备和方法

本发明涉及产生具有超高强度(例如几百巴或者大约一千巴)的超声波脉冲的技术领域。

本发明特别涉及在材料或者结构的无损检测领域或者医疗领域(碎石术，通过空泡形成而破坏组织等等)的应用。

借助于包括压电型换能器的源，在耦合介质中产生超声波脉冲，其中当电压施加到压电型换能器时它会产生声波，通常会聚焦该声波以获得较高的压力。关于这方面，应该注意到：在焦点处的压力与换能器的表面压力之间存在的比率被称作“天线增益”。该天线增益是发射频率的函数，同时也是孔径(例如焦距和换能器直径的比率)的函数。借助于图示说明，使用直径大约为45厘米(cm)以及表面压力大约为10巴的杯状源，在400赫兹(kHz)频率下，在碎石器的焦点处产生压力为1000巴的波。

同时也应当注意到：这种用于产生超声波脉冲的源在尺寸上是很大的，这意味着不可能制造出便携式或者半携带式的设备。为了能减少这种源的尺寸，有必要增加在发射杯处的表面压力。

为了实现此目的，现有技术已经提出使用被称作“压电复合物”的复合型材料。与传统的压电陶瓷材料相比，这种复合型材料能够使压力增加大约1.5到2倍。利用这种厚度本质上振荡的材料，所产生的横模具有小于传统压电陶瓷材料情况中的振幅。虽然此改进是有益的，但仍然是不充分的。

在由Luc Chofflet向巴黎第三大学提出的题目为“超声波换能器以及层叠式多层压电结构的优化研究”的博士论文中，指出：可以通过以夹层形式组合两个换能器。从理论上，此改善效果与层叠结构中的层数成比例。但是，实际调查显示：真正的改善效果是很小的，因为前面的换能器受到充足的应力，导致最前面的部件断裂。而且，当换能器在外形上为平面时制作此层叠式换能器都已经很复杂，制作以杯状实现这种原理的换能器将变得非常困难。

在现有技术中，也已经众所周知的是声学伞状(acousticmushroom)型换能器，其主要被设计用于产生单频波，特别用于捕鱼和航海目的的声纳上。法国专利FR2640455和FR2728755描述了将机械应力施加在压电材料上以产生高压的各种方法。

应该注意到：夹紧换能器的压电材料在很大程度上降低了作为整体组件的共振频率。这样，此换能器仅在最多几十赫兹的共振频率下工作，以至于其应用被限制到声纳上。而且，因为换能器被构造为层叠的多层结构，所以这种源仅仅能发送其中该组多层结构进入共振的频率，这意味着不可能发送代表宽频谱的压力脉冲，以及不能发送短周期的脉冲。另外，实现层叠的多层结构的换能器也是不容易制造的。

在现有技术中，美国专利号5549110也公开了一种用于产生声脉冲的设备，包括设置有电极的压电陶瓷式换能器，电极连接到用于将电压施加到所述电极的装置。在各种实施例中，用于施加电压的装置用作在与换能器被极化的方向相反的方向上施加一电场，以及随后，用作在与换能器被极化的方向相同的方向上施加一瞬态电场，以便使声波被发射。

对压电型换能器施加电预应力(electrical prestress)用于避免在施加机械预应力中固有的问题。因为对换能器拉伸之前对其进行压缩，以便产生高压超声波，所以没有发生可能使其断裂的拉长。

即使这样，在实践中，特别是在碎石术的应用中，不能使用正如该专利中描述的用于产生声脉冲的设备。由此设备产生的波形不能满足与声学冲击波相关联的约束。特别地，施加到换能器上的预应力所产生的膨胀波在大小上基本上等于随后所产生的压缩波。膨胀波导致空包泡形成，其阻碍了随后的压缩波的良好传播。另外，施加到换能器的预应力不可避免地导致换能器被去极化。

这样，本发明的目的在于通过提出一种设备来弥补现有技术的缺陷，此设备适合用于产生高压超声波脉冲，而没有产生前膨胀波，同时此设备被设计以避免对压电型换能器去极化，然而它是以简单的方式制造的。

为了实现上述目的，本发明的用于产生高压超声波脉冲的设备包括：

超声波源，包含设置有若干个电极的压电型换能器，并且在给定方向呈现极化；以及

用于将电压施加到超声波换能器之电极上的装置，为了发射超声波，用作：

在与极化方向相反的方向上施加一电场，以便压缩超声波换能器；以及

然后施加一具有与极化方向相同的方向的瞬态电场，以便使压缩超声波在耦合介质被发射。

根据本发明，该装置施加一具有上升时间的渐变电压，用于在比导致压电超声波换能器去极化的周期小的施加周期内，产生具有与极化方向相反的方向的电场。

本发明的另一个目的在于提供一种产生高压超声波脉冲的设备，其适用于避免对换能器去极化，并且特别地呈现高的振幅极化，适合用于使其逐渐地被去极化。

为了实现此目的，根据本发明的用于产生超声波脉冲的设备包括：用于施加电压的装置，该装置使得在小于或者等于施加与极化方向相反的方向的电场的周期的施加周期内施加一瞬态电场，以便如果有必要的话，能够使超声波换能器被重新极化。

从以下参考附图的描述可以清楚地了解各种其它的特征，这些附图示出作为非限制性示例的本发明主题的实施例和实施方式。

图1至图3是根据本发明用于产生超声波脉冲的设备的各种示意图，该设备在各种特征工作位置被显示。

图4是用于图示说明本发明设备的工作原理的时序图。

从图1可以清楚地看到，用于产生高压超声波脉冲的设备(给予整体参考符号1)包括压电型超声波换能器2，其形成用于在耦合介质中产生声波的源。换能器2具有相互平行的若干个电极，这些电极连接到用于施加电压的装置4上。

没有对换能器2做更详细的描述，因为其结构对于本领域技术人员来说是众所周知的。另外，换能器2可以包括任何压电型材料(例如压电陶瓷，压电合成物或者压电聚合材料)，作为用于产生声波的其有源元件。

以传统的方式，换能器2在垂直于电极3以及如箭头f₁所示的方向呈现极化。因此换能器2在压缩/膨胀模式下工作，只要压电材料特定的极化方向平行于当电压施加到电极端子时由电极3所产生电场。换能器的压电材料在基本上平行于电场的方向上发生变形。

根据本发明，装置4用于在产生高压超声波脉冲之前施加一电预应力到换能器2上。如图2所示，控制装置4，以便施加一渐变电压到换能器2的电极3上，从而在压电材料上产生与极化方向f1相反并且如箭头f₂所示方向的电场，从而逐渐地压缩换能器2。这样，与图1相比，正如从图2可以清楚地看到的，施加到电极3上的渐变电压使得换能器2受到与它的极化相反的方向f₂的电场的影响，以至于换能器2被逐渐地压缩。换能器2被逐渐地压缩，因为所产生的压力与电压的变化率成正比(它的导数)。正如在图4可以看到的，周期T的控制电压V₂导致具有上升时间t_2m的渐变电压被施加到换能器的电极3上，从图中对应于电压V₄的部分就可以看到。

之后，装置4使电压V₃被施加而用作在压电材料中在与极化方向相同的方向上产生的瞬态电场。这样，正如可以从图3可以更清楚地看到的，换能器2受到由箭头f₃表示的与极化相同的方向f₁的电场的影响。从以前的状态开始，换能器2受到膨胀的影响，从而发射压缩波5进入耦合介质。

正如从以上描述所看到的，本发明的主题是一种简单的方法，其通过借助于渐变的电压将与换能器极化方向相反的方向的电场施加到换能器而逐渐地压缩换能器2，随后通过与极化相同方向的电场，由此导致膨胀，从而导致超声波5被发射。因为换能器2最初在被拉长之前被压缩，可以认为：换能器2几乎没有偏离如图1所示的初始状态。换能器2受到非常小的拉长的影响，以避免使其断裂。而且，对换能器2逐渐施加预应力的事实避免可能阻碍压缩波传播的膨胀波的出现。

根据本发明的特征，装置4施加一电压，该电压在比导致压电换能器2被去极化的周期小的施加周期T内、能够使与极化方向f₁相反的方向f₂的电场被施加(图4)。例如，用于施加与极化方向相反的方向的电场的所述渐变电压的施加周期T大于10微秒(μs)，并且优选为大约100μs。这样，在限制时间期间施加渐变电压能够使换能器2被逐渐地施加预应力，而没有被去极化。

根据一个优选的实施特征，装置4用于施加一电压V₃，以在施加时间t₃产生与极化方向f₁相同方向f₃的一瞬态电场，施加时间t₃在1μs到1秒的范围内，优选地，为大约100毫秒(ms)。

根据一优选实施特征，瞬态电场的施加时间t₃大于或者等于具有与极化方向f₁方向相反的方向f₂的电场之施加周期T，以便在有微小去极化发生时(特别在换能器2被极化具有很大振幅的情况下)能够使压电式超声波换能器2重新极化。正如从图4中所看到的，产生压缩波的电压V₃逐渐地返回到其初始值(0v)，以便能够使换能器被重新极化。

根据另一个优选的实施特征，用于施加电压V₃的装置4在上升时间t_3m期间施加具有与极化方向f₁相同的方向f₃的一瞬态电场，上升时间t_3m在0.1μs到20μs范围内，优选范围为1μs到10μs用于碎石术。

图4中的第三时序图显示了跨接换能器2端子的电压V₄的波形。根据一个优选的实施特征，用于施加具有与极化方向f₁相反的方向f₂的电场的渐变电压呈现为一上升时间t_2m，上升时间t_2m大于瞬态电场的上升时间t_3m，以便减少干涉波(特别是膨胀波)的影响为最小。在优选的实施例中，上升时间t_2m大于瞬态电场的上升时间t_3m至少十倍。

因此本发明可以提供一种用于产生高压超声波的设备。这样，使用没有实施本发明的换能器已获得35巴的最大压力(在退化以前)。使用其已被施加电预应力的换能器，它有可能获得60巴的最大压力。

本质上，例如利用一个或者两个发生器，能够以任何合适的方式制造用于将电压施加到电极端子的装置4。另外，换能器可以是任何形状，例如，它可以被制造成杯状。

本发明不局限于所描述和图示的例子，因为可以在其上施加各种修改而不超出本发明的范围。

Claims (7)

1、一种用于产生高压超声波脉冲的设备，该设备包括：

超声波源，包含设置有电极(3)的压电型换能器(2)，并且在给定方向(f₁)呈现极化；以及

用于将电压施加到超声波换能器(2)上的装置(4)，为了发射超声波，用于：

在与极化方向(f₁)相反的方向(f₂)上施加一电场，以便压缩超声波换能器(2)；以及

然后施加一具有与极化方向(f₁)相同的方向(f₃)的瞬态电场，以便使压缩超声波在耦合介质中被发射；

该设备特征在于：装置(4)施加一具有上升时间(t_2m)的电压，用于在比导致该压电超声波换能器去极化的周期小的施加周期(T)产生一具有与极化方向(f₁)相反的方向的电场。

1、根据权利要求1的用于产生高压超声波脉冲的设备，特征在于：用于施加具有与极化方向(f₁)相反的方向的电场之电压的施加周期(T)大于10μs，并且优选地，大约为100μs。

2、根据权利要求1或2的用于产生高压超声波脉冲的设备，特征在于：用于施加电压(V₃)的装置(4)用作在施加时间(t₃)内施加一具有与极化方向(f₁)相同的方向(f₃)的瞬态电场，其中施加时间(t₃)在1μs到1s的范围内，以及优选地等于约100ms。

3、根据权利要求1到3的用于产生高压超声波脉冲的设备，特征在于：用于施加电压(V₃)的装置(4)用作在上升时间(t_3m)期间在与极化方向(f₁)相同的方向(f₃)上施加一瞬态电场，该上升时间(t₃)在0.1μs到20μs的范围内。

4、根据权利要求1或2和4的用于产生高压超声波脉冲的设备，特征在于：用于施加具有与极化方向(f₁)相反的方向(f₂)的电场的渐变电压呈现一上升时间(t_2m)，该上升时间(t_2m)大于瞬态电场的上升时间(t_3m)。

5、根据权利要求5的用于产生高压超声波脉冲的设备，特征在于：该上升时间(t_2m)大于瞬态电场的上升时间(t_3m)至少十倍。

6、根据权利要求1到6中任何一个的用于高压超声波脉冲的设备，特征在于：该瞬态电场的施加时间(t₃)大于或者等于具有与极化方向(f₁)相反的方向(f₂)的电场的施加周期(T)，以在必要时，能够使超声波换能器(2)重新极化。

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