聲學聚焦換能器的製作方法
2023-06-14 14:24:26
專利名稱：聲學聚焦換能器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種聲學聚焦換能器，具體地說，是指一種通過改進壓電元件的電極，採用環形設計來減小焦平面上主瓣半功率點的半徑，並使其景深延長的聲學聚焦換能器。
背景技術：
聲學聚焦換能器被廣泛地用於聲學顯微鏡、噴墨列印、材料噴塗、微粒操作等領域。在上述這些領域的應用中，聲學聚焦換能器在其焦平面上主瓣的半徑，特別是主瓣上半功率點(3dB)距離焦平面中心位置的距離，即R3dB決定了上述各種應用的解析度。聚焦聲場中，在聲軸上焦點附近半功率點之間的距離被定義為景深。景深越長則越有利於提高上述應用的穩定性和方便性。然而，在傳統的球面聲學透鏡的設計中，為了減小R3dB通常需要減小透鏡的F數(Fn)或者聲波的波長(λ)，由於景深的計算公式為L＝7.1λFn2，所以這樣做的直接後果就是導致景深縮短。因此，主瓣寬度與景深似乎成為不可兼得的矛盾。為此，長久以來人們總是力圖找到減小R3dB提高解析度並能延長景深的方法。由於分別率始終是人們最為關心的指標，所以本實用新型仍然以減小R3dB為首要目標。
焦平面上的R3dB的計算公式為R3dB＝0.51Fnλ＝0.51RC2/[(1-C2/C1)Df]其中，Fn是球面透鏡的Fresnel數，Fn＝R/[(1-C2/C1)D]λ是聲波在介質液體中的波長，λ＝C2/fR是球面透鏡的曲率半徑f是聲波的頻率C1是聲波在透鏡材料中的傳播速度C2是聲波在介質液體中的傳播速度D是球面透鏡的弧面直徑由於C2/C1是聲波在介質液體和透鏡材料中的傳播速度之比，對於選定的介質液體和透鏡材料，它是一個常值。所以，要想減小R3dB可以通過減小R/D和f/C2來實現。R/D體現的是對超聲透鏡幾何形狀的要求，該值不僅受到實際幾何條件的約束(R/D≥0.5)，而且還受制於具體應用中的其他要求。例如，在超聲聚焦噴射中，為了便於控制介質液體的厚度，弧面張角通常小於120°，所以R/D≥0.577。C2/f實際上表示的是聲波在介質液體中的波長，對於特定的介質液體來說，要想減小波長只能提高聲波的頻率，然而隨著聲波頻率的提高，不僅會增加高頻電路的製作成本，而且還會導致聲強在介質液體中的衰減迅速增強。
發明內容
本實用新型的目的是在不提高聲波頻率的條件下，通過改進電極結構形式來實現減小聲學聚焦換能器在其焦平面上的R3dB值，並延長景深的聲學聚焦換能器。
本實用新型的聲學聚焦換能器，由引線、環形電極、壓電薄膜、圓形電極、聲學透鏡組成，環形電極和圓形電極分別鍍在壓電薄膜的兩面，其中一電極同聲學透鏡的平面端連接。脈衝調製的微波信號通過引線分別施加到環形電極和圓形電極上，在壓電薄膜中激發出機械振動，該振動通過聲學透鏡被匯聚到焦點區域內。由於其中一個電極採用的是環形設計，所以焦平面上的半功率點半徑會小於傳統的設計，而沿聲軸方向的景深長度卻會長於傳統設計。
本實用新型換能器的優點是尤其在高頻應用中可以降低能量衰減，提高使用方便性。其在焦平面上的主瓣半功率點半徑下降了16.2％，景深延長了53.0％。
圖1是本實用新型的結構示意圖。
圖2是公式中各個符號的幾何含義說明。
圖3是本實用新型與傳統聲學聚焦換能器的R3dB比較圖。
圖4是本實用新型與傳統聲學聚焦換能器的景深比較圖。
具體實施方式
下面將結合附圖對本實用新型作進一步的詳細說明。
請參見圖1所示，本實用新型的聲學聚焦換能器由引線1，環形電極2，壓電薄膜3，圓形電極4，聲學透鏡5組成，環形電極2和圓形電極4分別鍍在壓電薄膜3的兩面，圓形電極4同聲學透鏡5的平面端連接。脈衝調製的微波信號通過引線1分別施加到環形電極2和圓形電極4上，在壓電薄膜3中激發出機械振動，該振動通過聲學透鏡5被匯聚到焦點區域內。
在本實用新型的聲學聚焦換能器中，環形電極2和圓形電極4的位置可以互換。
當選取弧面張角θ＝120°，壓電薄膜3的直徑不小於球面聲學透鏡5的弧面直徑D，透鏡材料為石英玻璃，介質液體為水時，壓電薄膜3兩面的電極都採用傳統的圓形形狀的電極，R3dB＝0.37λ，L3dB＝2.84λ；當採用同聲學透鏡5的平面端連接的電極為環形電極2，壓電薄膜3另一面為圓形電極4，假設內徑為d，並且d/D＝0.68時，R3dB＝0.31λ，L3dB＝4.42λ。與傳統的聲學聚焦換能器相比，R3dB縮小了16.2％，L3dB增加了53.0％。(如圖3和圖4所示)經測試證明，當採用同聲學透鏡5的平面端連接的電極為圓形電極4，壓電薄膜3另一面為環形電極2，其R3dB＝0.31λ，L3dB＝4.42λ。與傳統的聲學聚焦換能器相比，R3dB縮小了16.2％，L3dB增加了53.0％。
圖3顯示的是採用傳統圓形電極(改進前)和本實用新型提出的環形電極(改進後)製作的聲學聚焦換能器在其焦平面上聲壓的分布曲線。其中透鏡材料選用的是石英玻璃，介質液體為水，聲學透鏡的弧面張角為120°。從該圖可以看出傳統設計的主瓣半功率半徑約為0.37λ，而改進後約為0.31λ，減小了16.2％。
圖4顯示的是採用傳統圓形電極(改進前)和本實用新型提出的環形電極(改進後)製作的聲學聚焦換能器在其焦平面附近沿其主軸方向上聲壓的分布曲線。其中透鏡材料選用的是石英玻璃，介質液體為水，聲學透鏡的弧面張角為120°。從該圖可以看出傳統設計的景深約為2.84λ，而改進後約為4.42λ，延長了53.0％。
下面以實際例子來說明上述改進指標的潛在效果，但是其效果並不僅限於此。
R3dB減小了16.2％，意味著在滿足同樣解析度要求的情況下頻率可以降低16.2％。當聲波頻率從600MHz降低到500MHz後，同樣在水中傳播300μm，它們的聲強衰減幅度之比竟為5∶1。當然，聲衰減可以通過減小傳播距離，即縮短焦距來減小，但是這樣就必須進一步縮小透鏡的尺寸，導致透鏡加工的難度增加，甚至無法加工。
在超聲聚焦噴射中由於空氣的特性聲阻抗通常遠遠小於介質液體的特性聲阻抗，所以聲波到達自由液面後將會發生劇烈的反射。這些反射回來的聲波會與正從透鏡那邊傳播過來的聲波發生幹涉，形成駐波，這會增強部分區域的振幅，形成波腹；同時也會削弱部分區域的振幅，形成波節。波腹和波節之間的距離為四分之一波長。造成噴射過程穩定性較差。為此Scott A Erold等人，採用了多信號源激勵來改變駐波的波腹點位置，以及引入高衰減油墨來抑制駐波形成的方法，但是這種做法不僅需要輸入更多的能量，並且增加了微波驅動電路的複雜性。採用本實用新型的設計，由於可以降低聲波的頻率，所以可以延長波長，從而增加波腹和波節之間的距離，提高噴射過程的穩定性。不僅如此，隨著聲波頻率的降低還可以減少能量損失。
權利要求1.一種減小主瓣寬度並延長景深的聲學聚焦換能器，由引線(1)、聲學透鏡(5)、壓電薄膜(3)組成，壓電薄膜(3)上的其中一個電極同聲學透鏡(5)的平面端連接，其特徵在於所述的壓電薄膜(3)的兩面分別鍍有電極(2、4)，其電極(2、4)一面為環形，另一面為圓形。
2.根據權利要求1所述的聲學聚焦換能器，其特徵在於所述的電極(2)可以為環形或圓形。
3.根據權利要求1所述的聲學聚焦換能器，其特徵在於所述的電極(4)可以為環形或圓形。
4.根據權利要求1所述的聲學聚焦換能器，其特徵在於壓電薄膜(3)兩面鍍有的電極的位置可以互換。
5.根據權利要求1所述的聲學聚焦換能器，其特徵在於聲學透鏡(5)可以是平面帶狀或階梯帶狀透鏡。
專利摘要本實用新型公開了一種減小主瓣寬度並延長景深的聲學聚焦換能器，該換能器由引線、聲學透鏡和壓電薄膜組成，其壓電薄膜的兩面分別鍍有圓形電極和環形電極，其圓形電極同聲學透鏡的平面端連接，脈衝調製的微波信號通過引線分別施加到壓電薄膜的兩個電極上，在壓電薄膜中激發出機械振動，該振動通過聲學透鏡被匯聚到焦點區域內。由於其中一個電極採用的是環形設計，而不是傳統設計中的圓形，所以焦平面上的半功率點半徑會小於傳統的設計，而沿聲軸方向的景深長度卻會長於傳統設計。
文檔編號G10K11/26GK2682531SQ20042000346
公開日2005年3月2日 申請日期2004年2月12日 優先權日2004年2月12日
發明者張波, 張德遠, 鄭新芬 申請人:北京航空航天大學