專利名稱：由平面圓片元件組成的中心對稱相控聚焦陣換能器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于壓電與聲學領域內的超聲應用，主要是一種由平面圓片元件組成的中
心對稱相控聚焦陣換能器。
背景技術：
超聲相控陣技術已有近30多年的發(fā)展歷史。目前，主要應用于醫(yī)學超聲成像、工 業(yè)無損檢測、石油測井成像和高溫腫瘤治療等領域，國內目前可查的相關專利有十多項。
現(xiàn)有的超聲換能器的聚焦方式主要有曲面自聚焦、聲透鏡聚焦和相控聚焦。相控 聚焦是基于聲波的干涉原理實現(xiàn)的，不同的聲波在介質中傳播時，同相則聲壓疊加增大，異 相則聲壓抵消減小。由多個陣元按一定方式排列成換能器陣列，分別調整每個陣元發(fā)射信 號的波形、幅度和相位延遲，使各陣元發(fā)射的超聲子波束在空間同相位疊加合成，形成聲壓 的最大值，即使得波束聚焦。其基本思想是調整各陣元發(fā)射信號的相位，使得各陣元到達空 間某點的聲束具有相同的相位。與曲面自聚焦和聲透鏡聚焦相比，相控陣換能器最顯著的 特點是可以靈活、便捷而有效地控制聲束形狀和聲壓分布，其聲束角度、焦柱位置、焦點尺 寸及位置在一定范圍內連續(xù)、動態(tài)可調，與傳統(tǒng)的超聲檢測和醫(yī)療應用有著多方面的優(yōu)越 性， 要實現(xiàn)相控聚焦，首先要通過計算換能器輻射聲場來優(yōu)化布陣設計，相控聚焦陣 列輻射聲場的計算方法是在線性諧波輻射理論和相控原理基礎上推導而來，并結合相控理 論，進行大量數(shù)值仿真計算，主要是研究結構和頻率參數(shù)對聚焦效果影響的規(guī)律；然后根據(jù) 仿真結果，優(yōu)化設計出滿足要求的相控聚焦換能器陣列。 線性諧波輻射理論中主要應用赫姆霍茨_惠更斯積分公式瑞利積分，如下式
0O, ) = h丄"丄。^pV^'d/ 設陣中心為參考中心，R為參考距離，0點設定聚焦點，要使得第n個陣元的波束到 達0點時的相位與陣中心到達0點時的相位相同，則需對第n個陣元作時間補償為 — -W 則對應的相位延遲為△ 4>n = △ tn 目前為止人們已經對多種布陣方式的相控聚焦開展了較多的研究，其中包括由圓 環(huán)陣元組成的相控聚焦陣。該種圓環(huán)陣換能器的輻射聲場具有良好的中心對稱性，能夠實 現(xiàn)中心軸上的相控聚焦，焦點深度可調節(jié)。布陣方式一般采用同心圓環(huán)嵌套形式，通常采用 等面積元件輻射面積或等寬內外半徑差元件。
但該種形式制作使用的大型換能器存在多方面的問題第一，由于工作頻率較高
通常在數(shù)百千赫至數(shù)兆千赫，為了減小平面振動耦合，大圓環(huán)陣元的寬度尺寸較小，而大尺
寸直徑、窄寬度的高頻圓環(huán)壓電陶瓷元件制作難度較大，成本很高。而微型元件的尺寸d即
直徑與聲波在介質中的波長可比擬，使得單個平面圓片的波束開角較大，指向性減弱，有利于聲波干涉。且平面圓片的制作難度及成本相對大尺寸圓環(huán)要低很多，大尺寸圓環(huán)壓電元
件的一致性難以保證，與設計要求往往偏差較大，而小型圓片的性能一致性容易控制，降低
了偏差。第二，相同諧振頻率的圓環(huán)元件厚度隨著直徑的不同而有所不同，而陣元厚度不同
對相控陣換能器的制作精度有較大影響，輻射面的不平整會導致各路陣元的初始相位差不
同；第三，大尺寸圓環(huán)元件的厚度和寬度處在同一個數(shù)量級，即高頻大尺寸圓環(huán)的寬度和厚
度尺寸可比擬，且輻射面積相對較大，其厚度振動和平面振動耦合較強烈，由此引起厚度振
動模態(tài)不純凈，導致電聲效率低下，對發(fā)射機提出了更高要求，聚焦效果也較差。 由于以上幾點因素，有必要通過某種方式改善相控聚焦圓環(huán)陣換能器的性能，既
能保留相控聚焦圓環(huán)陣的優(yōu)點，又能改善該種換能器陣列的缺點。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有相控聚焦圓環(huán)陣換能器的不足，主要是一種由平 面圓片元件組成的中心對稱相控聚焦陣換能器，主要應用于超聲成像和醫(yī)學腫瘤超聲治療 領域。 為解決上述技術問題，本發(fā)明是提出以下技術方案實現(xiàn)的這種由平面圓片元件 組成的中心對稱相控聚焦陣換能器，包括基座、外殼、若干個陣元，所述陣元的分布采用中 心對稱的平面同心圓形式，由若干個平面圓片壓電元件排列成圓形，代替單個大尺寸圓環(huán) 壓電元件。所有平面圓片壓電元件上表面與銅網公共電極相接，半徑為r的圓上的所有平 面圓片壓電元件下表面用電激勵信號線串接為一路，并由一路電源單獨激勵，形成一條支 路。 作為優(yōu)選，所有陣元的輻射端面處在同一平面上，相鄰兩個陣元的角度相同，且相 鄰陣元的邊緣間隔大于半波長，目的是為了減小互輻射影響。 作為優(yōu)選，所述的基座呈平面形式，圍繞基座中心的同心圓上分布若干圓形小孔， 圓形小孔內嵌套粘接平面圓片壓電元件，支路上所有平面圓片壓電元件呈均勻分布，角度 間隔相同，多個半徑不同的圓上形成多個支路，支路的數(shù)量大于等于二路。由于小型平面圓 片壓電元件的一致性較好，且所有平面圓片壓電元件的輻射面處在同一個平面上，則該條 支路上所有平面圓片壓電元件的振動幅度和相位相同，又由于平面圓片壓電元件在圓上呈 均勻分布，即為中心對成分布，其聲波輻射效果與平均半徑為r、寬度為d的大尺寸圓環(huán)元 件相似，從而實現(xiàn)了替代效果。當r從0逐漸增大時，圓的周長增大，因此該支路上的小型 平面圓片壓電元件的數(shù)量也增多，從而增大了輻射面積，這與寬度不變，平均半徑增大時大 尺寸圓環(huán)元件的輻射面積增大是一個道理。 作為優(yōu)選，同心圓的條數(shù)即支路的數(shù)量不受限制，但為了實現(xiàn)相控聚焦，應不少于 兩路，相鄰同心圓之間的間隔即支路之間的間隔則根據(jù)實際需要設定，可以相同，也可以不 同，所有陣元間隔須大于換能器陣列的諧振頻率對應的半波長。 作為優(yōu)選，所述的基座分為上下兩層，上層起到定位作用，下層起支撐作用；在基 座的上層中心的同心圓上分布若干圓形小孔，圓形小孔內嵌套粘接平面圓片壓電元件，在 基座上層的上端覆蓋有銅網公共電極，銅網公共電極通過膠粘劑與所有平面圓片壓電元件 的一段粘接，銅網公共電極上設有輻射匹配層，通過采用輻射匹配層技術能夠提高換能器 陣列的輻射特性，同時增強了可靠性，并起到水密的作用。
作為優(yōu)選，所述平面圓片壓電元件直徑、厚度都相同，且元件的直徑是厚度的三倍 以上，元件材料采用壓電單晶或壓電陶瓷。 本發(fā)明的優(yōu)點在于設計一種由平面壓電圓片組成的新型中心對稱軸向相控聚焦 陣換能器，布陣方式采用若干個平面圓片壓電元件排列成圓形，以代替單個大尺寸圓環(huán)壓 電元件。相比采用大圓環(huán)元件制作的換能器，新型換能器采用適當?shù)募庸ぶ谱鞴に?，既能繼 承相控聚焦圓環(huán)陣的優(yōu)點，又能改善其缺點。
圖1為由平面圓片元件組成的中心對稱相控聚焦陣換能器的結構組成示意圖；
圖2為若干個平面圓片壓電元件排列成圓形替代大尺寸圓環(huán)元件的示意圖。
圖3為采用小型圓片元件替代大尺寸圓環(huán)元件后的相控聚焦陣列換能器示意圖。
圖4為當參考距離為10cm、12cm、14cm、16cm、18cm、20cm時，通過聲場掃描測量得 到的聲場聲壓分布示意圖。 附圖標記說明圖中l(wèi)為基座，2為平面圓片壓電元件，3為銅網公共電極，4為輻 射匹配層，5為外殼，6為電激勵信號線。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對發(fā)明作進一步說明 圖2為若干個平面圓片壓電元件2排列成圓形替代大尺寸圓環(huán)元件的示意圖，圖 3為采用小型平面圓片壓電元件2替代大尺寸圓環(huán)元件后的相控聚焦陣列換能器示意圖， 由這兩圖可見平面圓片壓電元件2分布呈中心對稱的同心圓形式，即各平面圓片壓電元件 2的圓心處在以基座1的中心為圓心的大圓上，每一條同心圓上的平面圓片壓電元件2呈 均勻分布，相鄰陣元的角度間隔相同。每一個圓上的陣元劃為一條支路，即由同一路電源激 勵，該條支路上所有平面圓片壓電元件2的振動幅度和相位相同。 首先采用相控聚焦陣列輻射聲場計算方法，通過大量的數(shù)值仿真計算，根據(jù)仿真 結果，優(yōu)化設計出滿足要求的相控聚焦陣列換能器的陣元分布參數(shù)，包括小型圓片壓電元 件2的尺寸、陣元之間的間隔大小和支路數(shù)量等參數(shù)。 如圖1所示，基座1分為上下兩層，上層起到定位作用，下層起支撐作用。依據(jù)設 計好的參數(shù)，先將基座1上層加工出如圖3右側所示分布的小孔。再將平面圓片壓電元件 2嵌套粘接在小孔內，在基座1上層的上端覆蓋一層銅網公共電極3，用膠粘劑將銅網公共 電極3與所有平面圓片壓電元件2的一段粘接，并采用壓力臺夾緊基座1上層的兩端，使得 銅網公共電極3與平面圓片壓電元件2的粘接端平整。將每一條支路的元件分別用電激勵 信號線6連接起來，再將基座1的上下兩層固定在一起，放置于外殼5中后，再在輻射面灌 注匹配層材料，形成輻射匹配層4，待匹配層固化后再連接后端電纜。 在本發(fā)明的實施例中，基座直徑為9cm，平面圓片壓電元件直徑6mm，厚度2mm。有 四條支路，共60個元件，從基座中心向外的每條支路元件個數(shù)分別為6、12、18、24，其每條 支路所在同心圓的半徑分別為8mm、16mm、24mm、32mm。以基座中心為參考點，參考點到換 能器輻射聲場中心軸上設定焦點的距離為參考距離也稱為焦距，分別依據(jù)公式計算每一條 支路電激勵信號的初始相位，使得每條支路上的陣元輻射聲波束到達焦點時的聲壓相位相同，從而聲壓實現(xiàn)同相疊加增大。圖5所示為焦點分別設定在中心軸上距離基座中心的距 離即參考距離為10cm、 12cm、 14cm、 16cm、 18cm、20cm時，通過聲場掃描測量得到的相控聚焦 陣列換能器的輻射聲場聲壓分布，由圖4可以看出，由平面圓片元件組成的中心對稱相控 聚焦陣換能器能夠在中心軸上的焦點處實現(xiàn)相控聚焦。結果顯示，本發(fā)明的實施例能夠在 中心軸上實現(xiàn)良好的相控聚焦效果。 以上對本發(fā)明的描述不具有限制性，如果本領域的普通技術人員受其啟示，在不 脫離本發(fā)明權利要求的保護的情況，作出本發(fā)明的其它結構變形和實施方式，均屬于本發(fā) 明的保護范圍。
權利要求
一種由平面圓片元件組成的中心對稱相控聚焦陣換能器，包括基座(1)、外殼(5)、若干個陣元，其特征在于所述陣元的分布采用中心對稱的平面同心圓形式，由若干個平面圓片壓電元件(2)排列成圓形，所有平面圓片壓電元件(2)上表面與銅網公共電極(3)相接，半徑為r的圓上的所有平面圓片壓電元件(2)下表面用電激勵信號線(6)串接為一路，并由一路電源單獨激勵，形成一條支路。
2. 根據(jù)權利要求1所述的由平面圓片元件組成的中心對稱相控聚焦陣換能器，其特征 在于所有陣元的輻射端面處在同一平面上，相鄰兩個陣元的角度相同，且相鄰陣元的邊緣 間隔大于半波長。
3. 根據(jù)權利要求1所述的由平面圓片元件組成的中心對稱相控聚焦陣換能器，其特征在于所述的基座(1)呈平面形式，圍繞基座(1)中心的同心圓上分布若干圓形小孔，圓形小孔內嵌套粘接平面圓片壓電元件(2)，支路上所有平面圓片壓電元件(2)呈均勻分布，角 度間隔相同，多個半徑不同的圓上形成多個支路，支路的數(shù)量大于等于二路。
4. 根據(jù)權利要求3所述的由平面圓片元件組成的中心對稱相控聚焦陣換能器，其特征 在于所述的基座(1)分為上下兩層，上層起到定位作用，下層起支撐作用；在基座(1)的 上層中心的同心圓上分布若干圓形小孔，圓形小孔內嵌套粘接平面圓片壓電元件(2)，在基 座(1)上層的上端覆蓋有銅網公共電極(3)，銅網公共電極(3)通過膠粘劑與所有平面圓片 壓電元件(2)的一段粘接，銅網公共電極(3)上設有輻射匹配層(4)。
5. 根據(jù)權利要求3或4所述的由平面圓片元件組成的中心對稱相控聚焦陣換能器，其 特征在于所述平面圓片壓電元件(2)直徑、厚度都相同，且直徑是厚度的三倍以上，材料 采用壓電單晶或壓電陶瓷。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由平面圓片元件組成的中心對稱相控聚焦陣換能器，包括基座、外殼、若干個陣元，所述陣元的分布采用中心對稱的平面同心圓形式，由若干個平面圓片壓電元件排列成圓形，代替單個大尺寸圓環(huán)壓電元件。所有平面圓片壓電元件上表面與銅網公共電極相接，半徑為r的圓上的所有平面圓片壓電元件下表面用電激勵信號線串接為一路，并由一路電源單獨激勵，形成一條支路。本發(fā)明的優(yōu)點在于布陣方式采用若干個平面圓片壓電元件排列成圓形，以代替單個大尺寸圓環(huán)壓電元件。相比采用大圓環(huán)元件制作的換能器，新型換能器采用適當?shù)募庸ぶ谱鞴に?，既能繼承相控聚焦圓環(huán)陣的優(yōu)點，又能改善其缺點。
文檔編號B06B1/06GK101712027SQ20091015374
公開日2010年5月26日 申請日期2009年11月5日 優(yōu)先權日2009年11月5日
發(fā)明者張軍, 王世全, 王月兵, 黃勇軍 申請人:中國船舶重工集團公司第七一五研究所