CN1669672A

CN1669672A - 压电式多阵元高强度聚焦超声换能器及聚焦方法

Info

Publication number: CN1669672A
Application number: CN 200510038963
Authority: CN
Inventors: 汪炜; 刘正埙; 林广义; 董歧; 李为龙
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2005-09-21

Abstract

一种压电式多阵元高强度聚焦超声换能器及聚焦方法，属超声换能器，由凹球面轻质壳体(1)，单元聚焦换能器(2)，端盖(3)，密封垫(4)，接线座(5)，绝缘连接座(6)组成，采用多元二次聚焦方法，实现高强度超声的几何聚焦。该发明装置结构简单，使用方便，能产生具有瞬时高温高压效应的高强度聚焦超声，具有焦域小，声压大、系统稳定及能量可控的优点，可广泛应用于生物、医疗、制造及其他技术领域。

Description

压电式多阵元高强度聚焦超声换能器及聚焦方法

技术领域

本发明所指的压电式多阵元高强度聚焦超声换能器及聚焦方法，属超声换能器，可以产生具有瞬时高温高压效应的高强度聚焦超声，广泛应用于生物、医疗、制造及其他技术领域。

背景技术

通过对压电换能器施加脉冲电激励，压电换能器会产生脉冲超声波。采用合适的聚焦技术，可以在聚焦区域形成高强度聚焦超声，具有瞬时高温高压特性。

目前已有的超声聚焦方式有：多元相干聚焦、多元非相干聚焦、相控聚焦、单元声透镜聚焦和凹球面晶片自聚焦等。但是，考虑到制作工艺复杂程度和系统稳定性等因素，使用中多采用声透镜聚焦和凹球面晶片自聚焦两种方式。比较而言，上述两种聚焦方式性能相近，但后者制作工艺和成本远远高于前者。

通过专利文献检索，上海交通大学和无锡海鹰电子医疗系统有限公司共同申报的发明专利“高强度聚焦超声肿瘤治疗用换能器阵列”(专利申请号：03129407.3)，由匹配层和压电陶瓷片组成。匹配层为一个厚度均匀的凹球薄壳碗形的声辐射层，所有压电陶瓷片胶合在同一个匹配层的外表面上，采用了多个相同的压电陶瓷片构成一个大孔径共凹球面紧密镶嵌式换能器阵列，具有很高的阵聚焦声强比和对称的聚焦声场特性。但是，该发明没有考虑到匹配层对超声波的折射效应，各单元换能器的声焦点并不在大孔径共凹球面的几何球心上。

北京源德生物医学工程股份有限公司申报的实用新型专利“一种聚焦超声波波源”(专利申请号：01270265.X)，提供了一种聚焦超声波波源，包括用于发射超声波的超声波发射部件和用于使所发射出的超声波聚焦的聚焦部件，所发射的超声波经所述聚焦部件聚焦后以接近球面波的形式传向焦点，经测试聚焦性能均明显优于现有的小孔径角波源。但是，由于单元换能器的声功率的限制，其聚焦超声强度偏小。

发明内容

综合考虑高强度聚焦超声换能器的需求特点，本发明的目的是开发一种新型的压电式多阵元高强度聚焦超声换能器，产生具有瞬时高温高压效应的高强度聚焦超声。具有焦域小，声压大、系统稳定及能量可控的优点，可广泛应用于生物、医疗、制造及其他技术领域。

实现上述目标的压电式多阵元高强度聚焦超声换能器包括凹球面轻质壳体，可安装于凹球面轻质壳体内对称分布的多个单元聚焦换能器(本发明中为七个，若用于医疗领域，可将凹球面轻质壳体中心处单元聚焦换能器替换为其他测试及定位元件)，端盖置于凹球面轻质壳体上端，两者之间由密封垫密封，压电陶瓷粘贴在声透镜背面构成单元聚焦换能器。本发明采用多元二次聚焦方法，即单元换能器采用声透镜聚焦，各单元换能器又安装在同一凹球面上，实现二次几何聚焦。

结合单元声透镜聚焦和多元聚焦的各自优点，在此基础上，创造性的提出一种新型多阵元高强度聚焦超声换能器技术，采用多元二次聚焦方法，避免了单元声透镜聚焦超声强度偏小和多元聚焦压电陶瓷片数过多的缺点。因此，本发明装置结构简单，使用方便，成本低廉。

附图说明

图1.压电式多阵元高强度聚焦超声换能器结构示意图

图中标号名称：1.凹球面轻质壳体，2.单元聚焦换能器，3.端盖，4.密封垫，5.接线座，6.绝缘连接座

图2 凹球面轻质壳体示意图

图3 单元聚焦换能器示意图

图中标号名称：7.声透镜，8.压电陶瓷。

图4 端盖示意图

图5.压电式多阵元高强度聚焦超声换能器使用示意图

图中标号名称：9.压电式多阵元高强度聚焦超声换能器，10.大功率超声电源

具体实施方式

本发明的具体构成是：如图1所示，在凹球面轻质壳体1的安装孔内装有多个单元换能器2，端盖3置于凹球面轻质壳体1上端，两者之间用密封垫4密封。凹球面轻质壳体1如图2所示，在凹球面轻质壳体1上，设计阵列式单元聚焦换能器2的安装孔，各孔轴线在上述凹球面轻质壳体球心处相交；根据声聚焦焦距经验计算公式：

R = \frac{r}{1 - \frac{C_{1}}{C_{2}}} - - - (1)

其中：以凹球面轻质壳体的球面半径R作为单元聚焦换能器2的声聚焦焦距，r为单元聚焦换能器2中声透镜7的凹球面球半径，C₁为声透镜7材料内声速，C₂为超声波传输介质内声速。C₁与C₂可以通过实际测量或查阅相关手册得知。

单元聚焦换能器如图3所示，由凹球面声透镜7与粘贴在凹球面声透镜背平面的压电陶瓷组成。由式(1)可以计算出单元聚焦换能器2的声透镜7凹球面的球半径r，以此加工声透镜7凹球面。将各单元聚焦换能器安装于凹球面轻质壳体1内，从而保证各单元聚焦换能器发出的脉冲超声波能够汇聚在凹球面轻质壳体1的几何球心处。

单元聚焦换能器的数目由单元聚焦换能器和凹球面轻质壳体具体尺寸决定，根据实际需要设计。

为保证聚焦精度，可采用数控加工方法，通过一次装夹，在凹球面轻质壳体1上加工出所有单元换能器安装孔，保证各孔的位置精度以及圆柱度要求。

单元聚焦换能器2的声透镜7由硬铝制成，可采用数控加工方法，通过一次装夹，满足所需表面加工精度和质量，保证粘接质量与声学聚焦效果；

采用特殊粘接工艺，保证压电陶瓷8与声透镜7的粘接质量。

端盖3如图4所示。

图5所示的是压电式多阵元高强度聚焦超声换能器使用时的示意图，即将大功率超声电源10通过端盖3上的接线座5与压电式多阵元高强度聚焦超声换能器9相连。

Claims

1、一种压电式多阵元高强度聚焦超声换能器，其特征在于：单元聚焦换能器(2)通过安装孔固定在凹球面轻质壳体(1)内，压电陶瓷(8)粘接在声透镜7的背面构成单元换能聚焦换能器(2)，端盖(3)置于凹球面轻质壳体(1)上端，密封垫(4)密封，接线座(5)位于端盖(3)上，利用绝缘连接座(6)可满足整体换能器的安装使用要求。

2、一种压电式多阵元高强度聚焦超声换能器的聚焦方法，其特征在于，采用多元二次聚焦方法，即单元换能器采用声透镜聚焦，各单元换能器又安装在同一凹球面上，实现二次几何聚焦。

3、根据权利要求1所述的压电式多阵元高强度聚焦超声换能器，其特征在于，凹球面轻质壳体(1)凹球面半径(R)与单元聚焦换能器(2)声聚焦焦距(f)相等，从而满足几何聚焦需要；

4、根据权利要求1或3所述的压电式多阵元高强度聚焦超声换能器，其特征在于，单元聚焦换能器(2)的声透镜(7)正面为凹球面，其球半径(r)可由经验公式

R = \frac{r}{1 - C_{1} / C_{2}}

计算；背面为平面。