[發明專利]透鏡式多頻聚焦超聲換能器、換能系統及其聲焦域軸向長度的確定方法

在審

• 申請號: 202010062744.1
• 申請日: 2020-01-20
• 公開（公告）號: CN111112037A
• 公開（公告）日: 2020-05-08
• 發明（設計）人: 楊增濤;鄭維成
• 申請（專利權）人: 重慶醫科大學
• 主分類號: B06B1/06
• 分類號: B06B1/06
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 尹麗云

1.一種透鏡式多頻聚焦超聲換能器，其特征在于，包括：

壓電片，所述壓電片包括壓電凹面和壓電平面，所述壓電凹面為球面結構，所述壓電片具有多個厚度不同的諧振單元；

聲透鏡，所述聲透鏡包括透鏡凹面和透鏡平面，所述透鏡凹面為球面結構，所述透鏡平面和所述壓電平面貼合。

2.根據權利要求1所述的透鏡式多頻聚焦超聲換能器，其特征在于：所述壓電片的中心厚度為t₁，所述壓電片的邊緣厚度為H，其中H-t₁小于λ為壓電片的最高頻率的波長。

3.根據權利要求1或2所述的透鏡式多頻聚焦超聲換能器，其特征在于：所述壓電片的壓電平面的直徑為d，所述透鏡凹面的半徑在之間。

4.根據權利要求3所述的透鏡式多頻聚焦超聲換能器，其特征在于：所述壓電片的中心厚度0.2mm＜t₁＜5mm，所述壓電片的邊緣厚度0.2mm＜H＜5mm，且t₁H。

5.根據權利要求1所述的透鏡式多頻聚焦超聲換能器，其特征在于：所述壓電片由1-3型壓電復合材料制成。

6.一種換能系統，其特征在于：包括權利要求1-5任一所述的透鏡式多頻聚焦超聲換能器；

還包脈沖源，所述脈沖源用于激勵所述壓電片，所述脈沖源為多頻脈沖源。

7.根據權利要求6所述的換能系統，其特征在于：所述脈沖源為矩形脈沖。

8.根據權利要求7所述的換能系統，其特征在于：所述矩形脈沖包含的頻率為0.5-2MHz。

9.一種權利要求6-8任一所述的換能系統的聲焦域軸向長度的確定方法，其特征在于,包括如下步驟:

根據瑞利積分原理將透鏡式多頻聚焦超聲換能器輻射面分成若干個微元dS，每個微元都可以視為輻射相應頻率的球面波源，而空間聲場中A點處產生的聲壓是由所有微元在該點處產生的聲壓疊加后的結果；

根據壓電片的厚度確定壓電片的頻率f(R)：

其中：h(R)為壓電片厚度，c為彈性剛度常數，e為壓電應力常數，ε為介電常數，ρ為壓電復合材料密度，E為恒定電場,S為恒定應變，dS為積分微元，R為坐標原點至積分微元dS中心的距離；

空間聲場中A點處聲壓的表達式如下：

式中，f(R)為頻率，ρ₀為傳播媒質的密度，u為透鏡式多頻聚焦超聲換能器輻射面上法向振速分布，ω(R)＝2πf(R)為角頻率，t為時間，k(R)＝2πf(R)/c₁為波數，c₁為媒質中的聲速，α為聲透鏡材料的吸收系數，其中，c₂為聲透鏡材料的聲速，R₂為聲透鏡的曲率半徑；

其中，微元dS到A點的距離l的表達形式如下：

式中，l₀為坐標原點到A點處的距離，θ為l₀與Z軸的夾角，為過場點A(x,y,z)且垂直相交OZ軸的直線與平面YOZ之間的夾角，β₂為過積分面元dS且垂直相交OZ軸的直線與平面YOZ之間的夾角；

聯立式(1)，(2)，(3)求得P(l,θ,t)；

透鏡式多頻聚焦超聲換能器的穩態聲壓以一段時間內的有效聲壓值P_e表示：

式中，T表示一段時間，f(R)_max為最大頻率即壓電片的中心厚度為t₁處對應的頻率，f(R)_min為最小頻率即所述壓電片的邊緣厚度為H處對應的頻率；

根據式(4)計算出透鏡式多頻聚焦超聲換能器的聲焦域軸向長度。