專利名稱：壓電式多陣元高強(qiáng)度聚焦超聲換能器及聚焦方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所指的壓電式多陣元高強(qiáng)度聚焦超聲換能器及聚焦方法，屬超聲換能器，可以產(chǎn)生具有瞬時(shí)高溫高壓效應(yīng)的高強(qiáng)度聚焦超聲，廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)療、制造及其他技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
通過對(duì)壓電換能器施加脈沖電激勵(lì)，壓電換能器會(huì)產(chǎn)生脈沖超聲波。采用合適的聚焦技術(shù)，可以在聚焦區(qū)域形成高強(qiáng)度聚焦超聲，具有瞬時(shí)高溫高壓特性。
目前已有的超聲聚焦方式有多元相干聚焦、多元非相干聚焦、相控聚焦、單元聲透鏡聚焦和凹球面晶片自聚焦等。但是，考慮到制作工藝復(fù)雜程度和系統(tǒng)穩(wěn)定性等因素，使用中多采用聲透鏡聚焦和凹球面晶片自聚焦兩種方式。比較而言，上述兩種聚焦方式性能相近，但后者制作工藝和成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前者。
通過專利文獻(xiàn)檢索，上海交通大學(xué)和無錫海鷹電子醫(yī)療系統(tǒng)有限公司共同申報(bào)的發(fā)明專利“高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤治療用換能器陣列”(專利申請(qǐng)?zhí)?3129407.3)，由匹配層和壓電陶瓷片組成。匹配層為一個(gè)厚度均勻的凹球薄殼碗形的聲輻射層，所有壓電陶瓷片膠合在同一個(gè)匹配層的外表面上，采用了多個(gè)相同的壓電陶瓷片構(gòu)成一個(gè)大孔徑共凹球面緊密鑲嵌式換能器陣列，具有很高的陣聚焦聲強(qiáng)比和對(duì)稱的聚焦聲場(chǎng)特性。但是，該發(fā)明沒有考慮到匹配層對(duì)超聲波的折射效應(yīng)，各單元換能器的聲焦點(diǎn)并不在大孔徑共凹球面的幾何球心上。
北京源德生物醫(yī)學(xué)工程股份有限公司申報(bào)的實(shí)用新型專利“一種聚焦超聲波波源”(專利申請(qǐng)?zhí)?1270265.X)，提供了一種聚焦超聲波波源，包括用于發(fā)射超聲波的超聲波發(fā)射部件和用于使所發(fā)射出的超聲波聚焦的聚焦部件，所發(fā)射的超聲波經(jīng)所述聚焦部件聚焦后以接近球面波的形式傳向焦點(diǎn)，經(jīng)測(cè)試聚焦性能均明顯優(yōu)于現(xiàn)有的小孔徑角波源。但是，由于單元換能器的聲功率的限制，其聚焦超聲強(qiáng)度偏小。

發(fā)明內(nèi)容
綜合考慮高強(qiáng)度聚焦超聲換能器的需求特點(diǎn)，本發(fā)明的目的是開發(fā)一種新型的壓電式多陣元高強(qiáng)度聚焦超聲換能器，產(chǎn)生具有瞬時(shí)高溫高壓效應(yīng)的高強(qiáng)度聚焦超聲。具有焦域小，聲壓大、系統(tǒng)穩(wěn)定及能量可控的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)療、制造及其他技術(shù)領(lǐng)域。
實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的壓電式多陣元高強(qiáng)度聚焦超聲換能器包括凹球面輕質(zhì)殼體，可安裝于凹球面輕質(zhì)殼體內(nèi)對(duì)稱分布的多個(gè)單元聚焦換能器(本發(fā)明中為七個(gè)，若用于醫(yī)療領(lǐng)域，可將凹球面輕質(zhì)殼體中心處單元聚焦換能器替換為其他測(cè)試及定位元件)，端蓋置于凹球面輕質(zhì)殼體上端，兩者之間由密封墊密封，壓電陶瓷粘貼在聲透鏡背面構(gòu)成單元聚焦換能器。本發(fā)明采用多元二次聚焦方法，即單元換能器采用聲透鏡聚焦，各單元換能器又安裝在同一凹球面上，實(shí)現(xiàn)二次幾何聚焦。
結(jié)合單元聲透鏡聚焦和多元聚焦的各自優(yōu)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性的提出一種新型多陣元高強(qiáng)度聚焦超聲換能器技術(shù)，采用多元二次聚焦方法，避免了單元聲透鏡聚焦超聲強(qiáng)度偏小和多元聚焦壓電陶瓷片數(shù)過多的缺點(diǎn)。因此，本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，成本低廉。


圖1.壓電式多陣元高強(qiáng)度聚焦超聲換能器結(jié)構(gòu)示意中標(biāo)號(hào)名稱1.凹球面輕質(zhì)殼體，2.單元聚焦換能器，3.端蓋，4.密封墊，5.接線座，6.絕緣連接座圖2 凹球面輕質(zhì)殼體示意3 單元聚焦換能器示意中標(biāo)號(hào)名稱7.聲透鏡，8.壓電陶瓷。
圖4 端蓋示意5.壓電式多陣元高強(qiáng)度聚焦超聲換能器使用示意中標(biāo)號(hào)名稱9.壓電式多陣元高強(qiáng)度聚焦超聲換能器，10.大功率超聲電源具體實(shí)施方式
本發(fā)明的具體構(gòu)成是如圖1所示，在凹球面輕質(zhì)殼體1的安裝孔內(nèi)裝有多個(gè)單元換能器2，端蓋3置于凹球面輕質(zhì)殼體1上端，兩者之間用密封墊4密封。凹球面輕質(zhì)殼體1如圖2所示，在凹球面輕質(zhì)殼體1上，設(shè)計(jì)陣列式單元聚焦換能器2的安裝孔，各孔軸線在上述凹球面輕質(zhì)殼體球心處相交；根據(jù)聲聚焦焦距經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式R=r1-C1C2---(1)]]>其中以凹球面輕質(zhì)殼體的球面半徑R作為單元聚焦換能器2的聲聚焦焦距，r為單元聚焦換能器2中聲透鏡7的凹球面球半徑，C1為聲透鏡7材料內(nèi)聲速，C2為超聲波傳輸介質(zhì)內(nèi)聲速。C1與C2可以通過實(shí)際測(cè)量或查閱相關(guān)手冊(cè)得知。
單元聚焦換能器如圖3所示，由凹球面聲透鏡7與粘貼在凹球面聲透鏡背平面的壓電陶瓷組成。由式(1)可以計(jì)算出單元聚焦換能器2的聲透鏡7凹球面的球半徑r，以此加工聲透鏡7凹球面。將各單元聚焦換能器安裝于凹球面輕質(zhì)殼體1內(nèi)，從而保證各單元聚焦換能器發(fā)出的脈沖超聲波能夠匯聚在凹球面輕質(zhì)殼體1的幾何球心處。
單元聚焦換能器的數(shù)目由單元聚焦換能器和凹球面輕質(zhì)殼體具體尺寸決定，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)。
為保證聚焦精度，可采用數(shù)控加工方法，通過一次裝夾，在凹球面輕質(zhì)殼體1上加工出所有單元換能器安裝孔，保證各孔的位置精度以及圓柱度要求。
單元聚焦換能器2的聲透鏡7由硬鋁制成，可采用數(shù)控加工方法，通過一次裝夾，滿足所需表面加工精度和質(zhì)量，保證粘接質(zhì)量與聲學(xué)聚焦效果；采用特殊粘接工藝，保證壓電陶瓷8與聲透鏡7的粘接質(zhì)量。
端蓋3如圖4所示。
圖5所示的是壓電式多陣元高強(qiáng)度聚焦超聲換能器使用時(shí)的示意圖，即將大功率超聲電源10通過端蓋3上的接線座5與壓電式多陣元高強(qiáng)度聚焦超聲換能器9相連。
權(quán)利要求
1.一種壓電式多陣元高強(qiáng)度聚焦超聲換能器，其特征在于單元聚焦換能器(2)通過安裝孔固定在凹球面輕質(zhì)殼體(1)內(nèi)，壓電陶瓷(8)粘接在聲透鏡7的背面構(gòu)成單元換能聚焦換能器(2)，端蓋(3)置于凹球面輕質(zhì)殼體(1)上端，密封墊(4)密封，接線座(5)位于端蓋(3)上，利用絕緣連接座(6)可滿足整體換能器的安裝使用要求。
2.一種壓電式多陣元高強(qiáng)度聚焦超聲換能器的聚焦方法，其特征在于，采用多元二次聚焦方法，即單元換能器采用聲透鏡聚焦，各單元換能器又安裝在同一凹球面上，實(shí)現(xiàn)二次幾何聚焦。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電式多陣元高強(qiáng)度聚焦超聲換能器，其特征在于，凹球面輕質(zhì)殼體(1)凹球面半徑(R)與單元聚焦換能器(2)聲聚焦焦距(f)相等，從而滿足幾何聚焦需要；
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的壓電式多陣元高強(qiáng)度聚焦超聲換能器，其特征在于，單元聚焦換能器(2)的聲透鏡(7)正面為凹球面，其球半徑(r)可由經(jīng)驗(yàn)公式R=r1-C1/C2]]>計(jì)算；背面為平面。
全文摘要
一種壓電式多陣元高強(qiáng)度聚焦超聲換能器及聚焦方法，屬超聲換能器，由凹球面輕質(zhì)殼體(1)，單元聚焦換能器(2)，端蓋(3)，密封墊(4)，接線座(5)，絕緣連接座(6)組成，采用多元二次聚焦方法，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度超聲的幾何聚焦。該發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，能產(chǎn)生具有瞬時(shí)高溫高壓效應(yīng)的高強(qiáng)度聚焦超聲，具有焦域小，聲壓大、系統(tǒng)穩(wěn)定及能量可控的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)療、制造及其他技術(shù)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)B06B3/00GK1669672SQ20051003896
公開日2005年9月21日 申請(qǐng)日期2005年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月20日
發(fā)明者汪煒, 劉正塤, 林廣義, 董歧, 李為龍 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)