[發明專利]基于空氣耦合CMUT陣列的雙模式聲參量陣發射裝置

在審

• 申請號: 202210634574.9
• 申請日: 2022-06-07
• 公開（公告）號: CN115038008A
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 張慧;何程昊;王俊杰;馬永帥
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H04R1/24
• 分類號: H04R1/24;H04R1/40;H04R19/00;G08C23/02;G10K11/34
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李林娟

1.一種基于空氣耦合CMUT陣列的雙模式聲參量陣發射裝置，其特征在于，所述裝置包括：CMUT陣列，所述CMUT陣列由奇數陣元和偶數陣元構成，兩種陣元上的激勵頻率不同，奇數陣元上的激勵頻率為f1，偶數陣元上的激勵頻率為f2；

利用信號發生器的兩通道分別輸出激勵頻率為f1和f2的高頻超聲波信號，經功率放大器放大，分別施加到CMUT陣列的奇數陣元和偶數陣元上，激勵奇數陣元的直流偏置為DC1，激勵偶數陣元的直流偏置為DC2，DC1和DC2跟隨激勵頻率進行調整；

CMUT傳感器陣列沿同一方向發射兩束共軸的頻率比較接近的高頻超聲到空氣中，利用聲波在空氣中的非線性作用，進而得到低頻高指向性信號f2-f1；

通過調整施加到CMUT陣列中奇數陣元和偶數陣元上的偏置電壓的大小，使CMUT陣列奇偶陣元的中心頻率相應發生變化，始終保持CMUT陣列奇偶陣元的兩個激勵頻率處在對應中心頻率上，產生多個頻率的低頻指向性可聽聲束。

2.根據權利要求1所述的一種基于空氣耦合CMUT陣列的雙模式聲參量陣發射裝置，其特征在于，所述CMUT陣列的工作模式為：

工作模式一：保持施加在CMUT陣列的奇偶陣元上的DC偏置電壓一致，分別用兩個不同頻率的交流激勵信號作用于CMUT陣列的奇偶陣元發射，并使其兩個頻率始終處在CMUT帶寬范圍內，經過非線性效應自解調，在空氣中可產生低頻和高方向性可聽聲束；

工作模式二：通過在CMUT陣列的奇偶陣元上分別施加不同的DC偏置電壓，使CMUT陣列奇偶陣元的中心頻率相應發生變化，同時讓施加的兩個不同頻率的交流激勵信號始終處在對應中心頻率上，進而CMUT陣列的奇偶陣元發射出兩個對應頻率下最強的超聲波束，經過非線性效應自解調，在空氣中可產生低頻和高方向性可聽聲束。

3.根據權利要求1所述的一種基于空氣耦合CMUT陣列的雙模式聲參量陣發射裝置，其特征在于，所述奇偶陣元的下電極并聯后通過一個接線端子與外部驅動電路的接地端相連，所有奇數陣元的上電極通過各自的接線端子并聯后與外部驅動電路的一處激勵端相連；所有偶數陣元的上電極通過各自的接線端子并聯后分別與外部驅動電路的另一處激勵端相連。

4.根據權利要求1所述的一種基于空氣耦合CMUT陣列的雙模式聲參量陣發射裝置，其特征在于，所述CMUT陣列需要直流電壓和交流電壓同時激勵，CMUT陣列的驅動發射電路內含交直流耦合電路，CMUT陣列設置兩個交直流耦合接口，一個接口和奇數陣元激勵端相連，另一個和偶數陣元激勵端相連。

5.根據權利要求4所述的一種基于空氣耦合CMUT陣列的雙模式聲參量陣發射裝置，其特征在于，所述交直流耦合電路中加入自適應阻抗匹配，該自適應阻抗使信號源輸出的電壓和電流相位相同，信號源的輸出功率被最大化轉化為CMUT的發射功率，使信號源的輸出電阻與負載的有功電阻值相匹配。

6.根據權利要求1所述的一種基于空氣耦合CMUT陣列的雙模式聲參量陣發射裝置，其特征在于，所述CMUT陣列通過MEMS工藝制造。

7.根據權利要求1所述的一種基于空氣耦合CMUT陣列的雙模式聲參量陣發射裝置，其特征在于，所述奇偶陣元采用相同的工藝同步制造完成，兩種陣元的電極厚度，振膜厚度，真空腔深度，絕緣層厚度等縱向尺寸完全相同，且電極半徑、形狀，振膜半徑相同，兩種陣元具有相同的頻帶范圍，發射能力和接收能力相同。