壓電式多陣元高強度聚焦超聲換能器及聚焦方法
2023-12-12 01:22:17 1
專利名稱：壓電式多陣元高強度聚焦超聲換能器及聚焦方法
技術領域：
本發明所指的壓電式多陣元高強度聚焦超聲換能器及聚焦方法，屬超聲換能器，可以產生具有瞬時高溫高壓效應的高強度聚焦超聲，廣泛應用於生物、醫療、製造及其他技術領域。
背景技術：
通過對壓電換能器施加脈衝電激勵，壓電換能器會產生脈衝超聲波。採用合適的聚焦技術，可以在聚焦區域形成高強度聚焦超聲，具有瞬時高溫高壓特性。
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，考慮到製作工藝複雜程度和系統穩定性等因素，使用中多採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，但後者製作工藝和成本遠遠高於前者。
通過專利文獻檢索，上海交通大學和無錫海鷹電子醫療系統有限公司共同申報的發明專利「高強度聚焦超聲腫瘤治療用換能器陣列」(專利申請號03129407.3)，由匹配層和壓電陶瓷片組成。匹配層為一個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匹配層的外表面上，採用了多個相同的壓電陶瓷片構成一個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比和對稱的聚焦聲場特性。但是，該發明沒有考慮到匹配層對超聲波的折射效應，各單元換能器的聲焦點並不在大孔徑共凹球面的幾何球心上。
北京源德生物醫學工程股份有限公司申報的實用新型專利「一種聚焦超聲波波源」(專利申請號01270265.X)，提供了一種聚焦超聲波波源，包括用於發射超聲波的超聲波發射部件和用於使所發射出的超聲波聚焦的聚焦部件，所發射的超聲波經所述聚焦部件聚焦後以接近球面波的形式傳向焦點，經測試聚焦性能均明顯優於現有的小孔徑角波源。但是，由於單元換能器的聲功率的限制，其聚焦超聲強度偏小。
發明內容
綜合考慮高強度聚焦超聲換能器的需求特點，本發明的目的是開發一種新型的壓電式多陣元高強度聚焦超聲換能器，產生具有瞬時高溫高壓效應的高強度聚焦超聲。具有焦域小，聲壓大、系統穩定及能量可控的優點，可廣泛應用於生物、醫療、製造及其他技術領域。
實現上述目標的壓電式多陣元高強度聚焦超聲換能器包括凹球面輕質殼體，可安裝於凹球面輕質殼體內對稱分布的多個單元聚焦換能器(本發明中為七個，若用於醫療領域，可將凹球面輕質殼體中心處單元聚焦換能器替換為其他測試及定位元件)，端蓋置於凹球面輕質殼體上端，兩者之間由密封墊密封，壓電陶瓷粘貼在聲透鏡背面構成單元聚焦換能器。本發明採用多元二次聚焦方法，即單元換能器採用聲透鏡聚焦，各單元換能器又安裝在同一凹球面上，實現二次幾何聚焦。
結合單元聲透鏡聚焦和多元聚焦的各自優點，在此基礎上，創造性的提出一種新型多陣元高強度聚焦超聲換能器技術，採用多元二次聚焦方法，避免了單元聲透鏡聚焦超聲強度偏小和多元聚焦壓電陶瓷片數過多的缺點。因此，本發明裝置結構簡單，使用方便，成本低廉。
圖1.壓電式多陣元高強度聚焦超聲換能器結構示意中標號名稱1.凹球面輕質殼體，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 凹球面輕質殼體示意3 單元聚焦換能器示意中標號名稱7.聲透鏡，8.壓電陶瓷。
圖4 端蓋示意5.壓電式多陣元高強度聚焦超聲換能器使用示意中標號名稱9.壓電式多陣元高強度聚焦超聲換能器，10.大功率超聲電源具體實施方式
本發明的具體構成是如圖1所示，在凹球面輕質殼體1的安裝孔內裝有多個單元換能器2，端蓋3置於凹球面輕質殼體1上端，兩者之間用密封墊4密封。凹球面輕質殼體1如圖2所示，在凹球面輕質殼體1上，設計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殼體球心處相交；根據聲聚焦焦距經驗計算公式R=r1-C1C2---(1)]]>其中以凹球面輕質殼體的球面半徑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材料內聲速，C2為超聲波傳輸介質內聲速。C1與C2可以通過實際測量或查閱相關手冊得知。
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於凹球面輕質殼體1內，從而保證各單元聚焦換能器發出的脈衝超聲波能夠匯聚在凹球面輕質殼體1的幾何球心處。
單元聚焦換能器的數目由單元聚焦換能器和凹球面輕質殼體具體尺寸決定，根據實際需要設計。
為保證聚焦精度，可採用數控加工方法，通過一次裝夾，在凹球面輕質殼體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由硬鋁製成，可採用數控加工方法，通過一次裝夾，滿足所需表面加工精度和質量，保證粘接質量與聲學聚焦效果；採用特殊粘接工藝，保證壓電陶瓷8與聲透鏡7的粘接質量。
端蓋3如圖4所示。
圖5所示的是壓電式多陣元高強度聚焦超聲換能器使用時的示意圖，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度聚焦超聲換能器9相連。
權利要求
1.一種壓電式多陣元高強度聚焦超聲換能器，其特徵在於單元聚焦換能器(2)通過安裝孔固定在凹球面輕質殼體(1)內，壓電陶瓷(8)粘接在聲透鏡7的背面構成單元換能聚焦換能器(2)，端蓋(3)置於凹球面輕質殼體(1)上端，密封墊(4)密封，接線座(5)位於端蓋(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度聚焦超聲換能器的聚焦方法，其特徵在於，採用多元二次聚焦方法，即單元換能器採用聲透鏡聚焦，各單元換能器又安裝在同一凹球面上，實現二次幾何聚焦。
3.根據權利要求1所述的壓電式多陣元高強度聚焦超聲換能器，其特徵在於，凹球面輕質殼體(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.根據權利要求1或3所述的壓電式多陣元高強度聚焦超聲換能器，其特徵在於，單元聚焦換能器(2)的聲透鏡(7)正面為凹球面，其球半徑(r)可由經驗公式R=r1-C1/C2]]>計算；背面為平面。
全文摘要
一種壓電式多陣元高強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，採用多元二次聚焦方法，實現高強度超聲的幾何聚焦。該發明裝置結構簡單，使用方便，能產生具有瞬時高溫高壓效應的高強度聚焦超聲，具有焦域小，聲壓大、系統穩定及能量可控的優點，可廣泛應用於生物、醫療、製造及其他技術領域。
文檔編號B06B3/00GK1669672SQ20051003896
公開日2005年9月21日 申請日期2005年4月20日 優先權日2005年4月20日
發明者汪煒, 劉正壎, 林廣義, 董歧, 李為龍 申請人:南京航空航天大學