CN201969218U - 凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及超声换能器，特别是具有单点聚焦，焦距可调，焦域为规则椭球体，焦区温升高的一种凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器。解决现有声透镜聚焦超声换能器的电声效率低且焦距不可调；平面阵列超声换能器制作及相控电路复杂；凹球面自聚焦超声换能器只能实现单焦点聚焦，且焦距不可调节，只能通过调整其前面设置水囊的厚度或换能器的位置来调节其焦点的位置，操作复杂、费时，且精确度较低的问题。本新型的超声换能器是由凹球面自聚焦超声换能器在轴向分割成8个相同曲率的圆环后用绝缘胶粘合构成。其用于工农业、医学等各领域中，焦距可调以扩大加热范围，焦区温升高，聚焦效果好，换能器的结构及相控电路简单，相位控制容易。
Description
技术领域
本实用新型涉及将电能转换为超声振动能的超声换能器，特别是具有单点聚焦，且焦距可调，焦区小、温升高的凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器。
背景技术
超声换能器是将交变的电信号转换为超声振动信号或是将声场的超声波信号转换为电信号的器件。目前，由于超声振动和超声波传播技术被广泛用于工农业、国防、医学等各个领域中，使不同结构和用途的超声换能器及超声聚焦方法也不断被研制和产生。
其中，聚焦超声换能器技术是高强度聚焦超声关键技术之一，现在，聚焦超声换能器主要有：声透镜聚焦超声换能器、凹球面自聚焦超声换能器、平面阵列超声换能器。它们的原理、构成、优点及尚存在问题简介于下：
如图1所示，声透镜12聚焦超声换能器13：由超声波通过透镜材料形成聚焦，其中，声透镜虽然加工容易，但难以找到耐高温、阻抗匹配、衰减小等性能兼顾的透镜材料，因为在高强度超声聚焦时，声透镜因本身吸收声能而产生高温致使声透镜变形，因此，超声透镜的聚焦效果不仅与穿透的媒质有关，还与透镜材料有关，另外，超声波穿透媒质界面时反射及声透镜衰减还会造成声能量损失，因此，其电声效率较低且焦距不可调节。
如图2所示，为凹球面自聚焦超声换能器13，其利用凹球面聚焦换能器直接聚焦，聚焦效果好，焦区11能量高，但是，其只能实现单焦点聚焦，且焦距不可调节，应用中只能通过调整其前面设置的水囊厚度来调节其焦点的位置，因此，操作复杂，且精确度较低。
如图3所示，为平面阵列聚焦超声换能器，其是将许多个超声换能器阵元均匀分布于一个圆形的平板上，即超声源是由单元阵列换能器13拼成，聚焦是通过控制阵元激励信号的相位，使声波阵面曲率和中心位置发生变化，从而实现声束聚焦和扫描，实现多焦点及任意位置聚焦，因为其需要将多个阵元镶嵌在一个狭小的区域中，制作工艺较为复杂，而且聚焦时要对每一个阵元的相位进行控制，所以，相控电路复杂，操作时调整时间较长，另外，其形成的焦点处温升较低，而穿透的媒质界面处温升较高，故聚焦效果不好。
发明内容
本发明为解决现有各种聚焦超声换能器聚焦存在的焦点处温升较低，聚焦效果不好，焦距不可调节或调节操作复杂，电声效率低，制作工艺和相控电路复杂等诸多问题而提出并公开一种凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器，其技术方案包括有：凹球面自聚焦超声换能器，特征是：上述凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器由凹球面自聚焦超声换能器在轴向分割成8个相同曲率的圆环后用绝缘胶粘合形成。
上述凹球面自聚焦超声换能器的开口直径(1号圆环外径)为100mm，曲率半径为80mm，各圆环间距为1mm时，8个相同曲率的圆环的外径、内径尺寸及外经开口角度、内经开口角度为：
| 圆环编号 | 外径(mm) | 内径(mm) | 外经开口角度 | 内经开口角度 |
| 1 | 100 | 95.28 | 77.36° | 73.14° |
| 2 | 93.66 | 88.48 | 71.70° | 67.18° |
| 3 | 86.80 | 80.96 | 65.74° | 60.82° |
| 4 | 79.22 | 72.54 | 59.38° | 53.34° |
| 5 | 70.76 | 62.92 | 50.52° | 44.34° |
| 6 | 61.08 | 51.50 | 44.90° | 37.58° |
| 7 | 49.62 | 36.78 | 36.14° | 26.60° |
| 8 | 34.82 | 8.72 | 25.16° | 6.26° |
上述8个相同曲率的圆环的间距范围为1-3毫米，最佳间距为1毫米。
上述8个相同曲率的圆环的凹球面面积相等。
上述8个相同曲率圆环的谐振频率范围为0.8-1.0MHz，最佳谐振频率为0.8MHz。
本凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器的聚焦设定焦距与聚焦超声换能器的开口直径(1号圆环外径)的比取小于0.65的值。
上述8个相同曲率圆环的激励信号相位差为：
其中：Ro-曲率半径，Rc-设定焦距，r-八圆环上某点纵坐标。优点及积极效果：
本实用新型与现有其它聚焦超声换能器对比其优点是：
A.本实用新型的凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器为单点聚焦但焦距可以调节从而可以扩大超声加热范围。
B.本凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器可以对目标选择性定位，避免穿透介质不均匀造成的焦点偏移。
C.在其它条件相同下，本实用新型的凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器比平面阵列聚焦超声换能器的焦区最大温升更高，聚焦效果更好。
D.本实用新型的凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器较平面阵列超声换能器的结构及制作工艺和相控电路简单，相位控制容易。
E.本实用新型的凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器通过对其几何参数、圆环间距、激励频率、设定焦距的优化，提高了焦区的最大温升，
F.本实用新型的凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器的电声效率较声透镜聚焦超声换能器高。
G.本凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器使用相位控制环状聚焦超声变焦方法可通过控制圆环的位置对聚焦进行粗调节，通过圆环直径控制进行微调节，因此使焦距、焦域控制更精确。
附图说明
图1声透镜聚焦超声换能器结构及聚焦示意图；
图2为凹球面自聚焦超声换能器聚焦示意图；
图3为平面阵列聚焦超声换能器结构及聚焦示意图；
图4为凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器正视图；
图5为凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器侧视图；
图6为凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器的八圆环相位差计算图；
图7为凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器在激励频率f＝0.8MHz时的温度场分布图；
图8为凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器在激励频率f＝1.0MHz时的温度场分布图；
图9为凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器在激励频率f＝1.2MHz时的温度场分布图。
各图中标号表示：
1…1号圆环(圆环1) 2…2号圆环(圆环2)
3…3号圆环(圆环3) 4…4号圆环(圆环4)
5…5号圆环(圆环5) 6…6号圆环(圆环6)
7…7号圆环(圆环7) 8…8号圆环(圆环8)
9…绝缘胶 10…安装孔(中心孔)
11…焦域、焦区 12…声透镜
13…超声换能器 D1-开口直径(1号圆环外径)
r-八圆环上某点纵坐标、r轴 Lc各圆环间距
Ro-曲率半径 Rc-设定焦距
do-中心孔直径(安装孔直径) Fo-焦点
Fc-设定焦点 Z-横坐标、Z轴
具体实施方式
为了进一步说明本实用新型的内容、技术特征及功效，再举以下实例并结合附图说明于下：如图1-9中的2、4、5所示本实用新型的技术方案包括有：凹球面自聚焦超声换能器，其特征是：本凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器由凹球面自聚焦超声换能器在轴向分割成8个相同曲率的圆环1-8后用绝缘胶9粘合形成。
如图4、5、6所示，当上述凹球面自聚焦超声换能器的开口直径(本实例中1号圆环的外径)D1为100mm，曲率半径Ro为80mm，各圆环间距Lc为1mm时，8个相同曲率的圆环的外径、内径的尺寸及外经开口角度、内经开口角度为：
| 圆环编号 | 外径(mm) | 内径(mm) | 外经开口角度 | 内经开口角度 |
| 1 | 100 | 95.28 | 77.36° | 73.14° |
| 2 | 93.66 | 88.48 | 71.70° | 67.18° |
| 3 | 86.80 | 80.96 | 65.74° | 60.82° |
| 4 | 79.22 | 72.54 | 59.38° | 53.34° |
| 5 | 70.76 | 62.92 | 50.52° | 44.34° |
| 6 | 61.08 | 51.50 | 44.90° | 37.58° |
| 7 | 49.62 | 36.78 | 36.14° | 26.60° |
| 8 | 34.82 | 8.72 | 25.16° | 6.26° |
上述8个相同曲率的圆环的间距Lc范围为1-3毫米，最佳间距Lc为1毫米。
上述8个相同曲率的圆环1-8的凹球面面积相等。
上述8个相同曲率圆环的谐振频率范围为0.8-1.0MHz，最佳谐振频率为0.8MHz。
本凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器的聚焦设定焦距Rc与聚焦超声换能器的开口直径(本实例中1号圆环外径)D1的比Rc/D1取小于0.65的值为宜。
如图6所示，上述8个相同曲率圆环的激励信号相位差为：
其中：Ro-曲率半径，Rc-设定焦距，r-八圆环上某点纵坐标。
如图7、8、9所示，为本凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器在激励频率f＝0.8MHz、1.0MHz、1.2MHz时的温度场分布图，图9下面以黑、灰、白显示出它们不同的温度区级，由图7看出当激励频率f＝0.8MHz时其聚焦焦域短小集中，聚焦超声通过的界面或皮肤处温升最低，即聚焦最好。
Claims (6)
1.一种凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器，包括有：凹球面自聚焦超声换能器，其特征是：上述凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器由凹球面自聚焦超声换能器在轴向分割成8个相同曲率的圆环后用绝缘胶粘合形成。
2.根据权利要求1所述的凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器，其特征是：上述凹球面自聚焦超声换能器的开口直径即1号圆环外径为100mm，曲率半径为80mm，8个相同曲率的圆环的外径、内径尺寸及外经开口角度、内经开口角度为：
3.根据权利要求2所述的凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器，其特征是：上述8个相同曲率的圆环的间距范围为1-3毫米。
4.根据权利要求1所述的凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器，其特征是：上述8个相同曲率的圆环的凹球面面积相等。
5.根据权利要求2所述的凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器，其特征是：上述8个相同曲率圆环的谐振频率范围为0.8-1.0MHZ。
6.根据权利要求2所述的凹球面八圆环相控阵高强度聚焦超声换能器，其特征是：其聚焦设定焦距与聚焦超声换能器的开口直径即1号圆环外径的比取小于0.65的值。
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