[發(fā)明專利]基于空氣耦合CMUT陣列的雙模式聲參量陣發(fā)射裝置

在審

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• 申請日: 2022-06-07
• 公開（公告）號: CN115038008A
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張慧;何程昊;王俊杰;馬永帥
• 申請（專利權(quán)）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

本發(fā)明公開了一種基于空氣耦合CMUT陣列的雙模式聲參量陣發(fā)射裝置，包括：CMUT陣列由奇數(shù)陣元和偶數(shù)陣元構(gòu)成，兩種陣元上的激勵頻率不同。本發(fā)明利用CMUT器件的中心頻率隨偏置電壓的變化而改變的原理，實現(xiàn)了通過一個CMUT陣列的奇偶陣元分別發(fā)射兩個頻率的超聲波聲束，經(jīng)過空氣非線性效應，形成低頻指向性可聽聲束。本發(fā)明通過調(diào)整施加到CMUT陣列中奇數(shù)陣元和偶數(shù)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(fā)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，便可產(chǎn)生多個頻率的低頻指向性可聽聲束。在聲參量陣發(fā)射裝置具有高指向性的基礎(chǔ)上，提高了高指向性聲能量的強度，并拓寬了工作帶寬。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及空氣耦合超聲換能器的應用領(lǐng)域，尤其涉及一種基于空氣耦合CMUT陣列的雙模式聲參量陣發(fā)射裝置。

背景技術(shù)

電容式微機械超聲換能器(Capacitive Micromachined UltrasoundTransducer,CMUT)是一種基于微機電系統(tǒng)(Microelectromechanical System,MEMS)的制造和設(shè)計技術(shù)的換能器，與壓電超聲換能器相比：其不需要匹配層，聲阻抗較低，與空氣具有更好的聲阻抗匹配特性。同時基于MEMS(微機電系統(tǒng))制造技術(shù)，具有了易于制造各種形式的CMUT陣元，控制CMUT陣元的幾何參數(shù)，可以靈活調(diào)整CMUT器件的發(fā)射和接收特性，構(gòu)造CMUT陣列尺寸小等優(yōu)點，顯示出CMUT在空氣耦合檢測應用領(lǐng)域的潛力。

然而，由于空氣對高頻聲波較強的衰減作用，大部分的空氣耦合換能器工作頻率在幾百千赫茲左右，因此空氣耦合CMUT同樣也工作在這個范圍。同時CMUT在空氣中帶寬較窄，且通常采用的是單頻CMUT器件，因此有效拓展其帶寬和進行雙頻及寬頻CMUT的設(shè)計對空氣耦合超聲檢測應用十分重要。

聲波定向發(fā)射的核心概念是當兩列具有不同頻率的超聲波在空氣中同向傳播時，由于非線性作用，兩列超聲波會發(fā)生交互作用和自解調(diào)而產(chǎn)生它們的和頻率信號與差頻率信號。若差頻聲波在可聽聲域，即產(chǎn)生可聽聲。由于超聲波傳播的高指向性，使得可聽聲波也具有指向性，因此聲波定向發(fā)射在軍事、商業(yè)以及交通指揮等領(lǐng)域具有重要應用前景。一般情況下這些場景中所用的聲波定向發(fā)射裝置需要很大的輻射面或陣列尺寸較長才能形成高指向性波束。

然而，聲參量陣發(fā)射(即根據(jù)聲學參量陣原理的定向聲波發(fā)射)根據(jù)聲波在空氣中的非線性傳播原理，采用較小孔徑發(fā)射陣列沿同一軸線發(fā)射兩束不同頻率的高頻初始波，便可以產(chǎn)生高指向性低頻聲波，由于MEMS工藝制作的CMUT陣列具有尺寸小的特點，可以滿足聲參量陣發(fā)射要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種基于空氣耦合CMUT陣列的雙模式模式聲參量陣發(fā)射裝置，本發(fā)明能在小孔徑陣列尺寸下實現(xiàn)多場景應用的定向聲波發(fā)射，本發(fā)明所用的CMUT陣列與傳統(tǒng)的換能器陣列相比，可以在兩種工作模式下產(chǎn)生兩個頻率的混合超聲波束，既可以拓寬其工作帶寬，又能使其發(fā)射的兩個超聲波束聲能量最強，形成小型參量化發(fā)射裝置，并傳輸多個頻率的高方向性聲音，詳見下文描述：

一種基于空氣耦合CMUT陣列的雙模式聲參量陣發(fā)射裝置，所述裝置包括：CMUT陣列，所述CMUT陣列由奇數(shù)陣元和偶數(shù)陣元構(gòu)成，兩種陣元上的激勵頻率不同，奇數(shù)陣元上的激勵頻率為f1，偶數(shù)陣元上的激勵頻率為f2；

利用信號發(fā)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(jīng)功率放大器放大，分別施加到CMUT陣列的奇數(shù)陣元和偶數(shù)陣元上，激勵奇數(shù)陣元的直流偏置為DC1，激勵偶數(shù)陣元的直流偏置為DC2，DC1和DC2跟隨激勵頻率進行調(diào)整；

CMUT傳感器陣列沿同一方向發(fā)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；