[發明專利]低頻窄脈沖超聲換能器

有效

• 申請號: 201310721788.0
• 申請日: 2013-12-24
• 公開（公告）號: CN103691654A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發明（設計）人: 范曉榮;姚烈;瞿耀明;董顯林
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: B06B1/06
• 分類號: B06B1/06;A61B8/00
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;姚佳雯

技術領域

本發明涉及一種低頻窄脈沖超聲換能器，主要應用于聲衰減較大的醫學超聲診斷及工業無損檢測領域。

背景技術

在聲衰減較大的醫學超聲診斷和工業無損檢測中，為了提高檢測的分辨率，需要超聲換能器在脈沖激勵下余振信號盡量小，同時希望超聲波在檢測對象中衰減不能太大，因為換能器頻率越高，超聲波衰減越大，所以設計和研制低頻窄脈沖超聲換能器就顯得非常重要。

換能器的頻率可通過調整壓電晶片的尺寸來實現，實現小的余振信號，常用的方法是通過加大背襯的聲阻抗（盡可能與壓電晶片相同），使得壓電晶片所激發的向后輻射的超聲波可有效地進入背襯材料，繼而被吸收，因此，研究者們主要致力于背襯材料的配方設計、基質選擇、添加物的選擇、及其顆粒大小、以及各種添加物在基質中的體積百分比對背襯材料聲學性能影響的研究。

如Haifeng?Wang等人在“Passive?Material?for?Frequency?Ultrasound?Transducers，Part?of?the?SPIE?Conference?on?Ultrasonic?Transducer?Engineering，3664（1999）35～40”中對鋁加EPO-TEX301和鎢加EPO-TEX301背襯材料進行構建和測試，實驗結果表明背襯材料的聲衰減隨添加物的增加在單調上升，但在添加物增加到一定量時出現了明顯下降。

[0005]?M.G.?Grewe等在“Acoustic?Properties?of?Particle/Polymer?Composites?for?Transducers?Backing?Applications,?Ultrasonics?Symposium?(1989)?713～716”中建立了復合材料聲阻抗模型以及與復合材料衰減相關的各個變量實驗矩陣，并根據復合材料的聲學特性和微觀結構分析得出結論：復合材料的聲衰減與添加物種類，聚合物基質以及二者之間的界面有關。

又，王耀俊、袁憶豐在“超聲換能器背襯材料的聲學性能，無損檢測，11（1989）221～223”中介紹了換能器背襯復合材料聲阻抗和聲傳播衰減的估算方法，并給出了環氧樹脂加鎢粉，可延展金屬（如鋁、銅、鉛、錫）加鎢粉等復合材料在不同鎢粉含量時聲阻抗的具體數值，也介紹了鎢-乙烯塑料復合材料聲縱波速度和聲阻抗隨鎢粉含量變化的實驗結果。

但是簡單地加大背襯的聲阻抗會導致換能器靈敏度下降。

現有的低頻窄脈沖超聲換能器主要由殼體、匹配層、作為振動源的壓電元件層、背襯層、匹配電路等組成。其中，換能器的背襯層通常采用圓柱形、楔形或圓錐形等形狀。圓柱形背襯層的反射面與聲波垂直，如果不通過加大背襯層的聲阻抗來吸收聲能，會導致大部分聲波反射回輻射面與前向輻射聲波疊加在一起，使換能器聲脈沖變得更復雜，而加大聲阻抗又會降低換能器的靈敏度。楔形和圓錐形背襯層的反射面雖然與聲波有一定的傾角，但反射面斜率相同不利于聲波的多次反射吸收，最終還是要通過加大聲阻抗的方法來達到減小余振的目的。

簡單地增大背襯層的聲阻抗，由于鎢粉的比例比較高，很難與環氧樹脂等基質材料混合均勻，因而還會增加背襯層制備的工藝難度。例如，為了獲得聲阻抗率超過10×10⁶Pa·s/m的高阻抗背襯層，?S.?Rokhlin..等在“Acoustic?Properties?of?Tungsten-Tin?Composition,J.?Acoust.?Soc.?Am.,69?(1981)1505-1506”文中提到，采用將鎢粉與高塑性金屬粉混合后加高壓處理，使塑性金屬擠入鎢粉的顆粒間隙，并在兩者界面形成鍵合力。S.?Lee.等在“Acoustic?Properties?of?Tungsten-Vinyl?Composites,?IEEE?Trans.?Sonics?and?Ultrasonics,SU-20(1973)?1-2”中將鎢粉與熱塑性塑料的粉末充分混合后熱壓成型。G.?C.?Low等在“Design?and?Constuction?of?Short?Pulse?Ultrasonic?Probes?for?Non-destructive?Testing,Ultrasonics,18(1984)85-95”中采用浸漬法，將鎢粉擠壓至緊密堆積狀態后，再浸沒于液態熱固性樹脂中，待完全浸透后加熱固化。這種方法不能保證浸漬的均勻性，僅取下端部分應用。上述表明，單純通過加大鎢粉比例來達到增大背襯的目的，會給背襯的制備工藝帶來很大的難度。

發明內容