超声换能器的制作方法

本实用新型涉及超声技术领域，特别涉及一种超声换能器。

背景技术：

超声波聚焦后可以获得一个能量高度集中的区域，该区域称为焦域。利用这一特性，中国已率先将该技术开发为高强度聚焦超声肿瘤治疗设备，并运用于临床开展肝肿瘤、肾肿瘤、骨肿瘤、子宫肌瘤等良恶性肿瘤的治疗，在治疗安全性、有效性、经济性方面取得良好的效果，逐步形成一个新的微无创治疗技术方向。

现有的超声波聚焦方式，例如，球壳式聚焦、透镜聚焦、反射镜聚焦、相控聚焦等均属于行波聚焦方式。行波聚焦方式达到的最高声压为10⁷Pa量级(连续波)，最小焦域尺寸为波长量级，因此焦点能量很难进一步提高。

但是，现有技术中，还没有一种能够进一步提高焦域声压的超声换能器。

技术实现要素：

本实用新型提供一种超声换能器，用于进一步提高焦域的声压。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种超声换能器，包括：壳体，所述壳体的内部设置有腔体，所述壳体的内表面设置有至少一个用于发射超声波的超声发射单元，所述超声发射单元具有反射超声波的功能，所述腔体为共振腔；

所述超声发射单元发出的超声波与所述超声发射单元对超声波反射而形成的反射波聚焦于所述超声发射单元的焦域。

可选地，所述腔体的形状为球壳形或者包括球心在内的截球壳形，所述超声发射单元的焦域为所述腔体的球心位置。

可选地，所述壳体的材料为铝合金或者钢。

可选地，所述超声发射单元的数量为多个，所述超声发射单元为压电阵元。

可选地，所述超声发射单元的内表面设置有电极保护层。

可选地，所述超声发射单元的内表面设置有匹配层。

可选地，所述超声发射单元的工作频率为400kHz至1200kHz。

可选地，所述超声换能器耐受的静水压大于或等于10MPa。

可选地，所述壳体的厚度为20mm至50mm。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供的超声换能器的技术方案中，超声换能器包括壳体，壳体的内部设置有腔体，壳体的内表面设置有至少一个超声发射单元，本实用新型提供的超声换能器实现了共振聚焦且能够耐高静水压力，从而进一步提高了焦域的声压。

附图说明

图1为本实用新型实施例一提供的一种超声换能器的结构示意图；

图2为声波传播示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型提供的超声换能器进行详细描述。

图1为本实用新型实施例一提供的一种超声换能器的结构示意图，如图1所示，该超声换能器包括：壳体1，壳体1的内部设置有腔体2，壳体1的内表面设置有至少一个用于发射超声波的超声发射单元3，超声发射单元3具有反射超声波的功能，腔体2为共振腔；超声发射单元3发出的超声波与超声发射单元3对超声波反射而形成的反射波聚焦于超声发射单元3的焦域。

壳体1的内部形成有中空结构，该中空结构即为腔体2。腔体2的表面即为壳体1的内表面，则超声发射单元3位于腔体2中且设置于壳体1的内表面。

壳体1为超声换能器的支撑体，其也作为超声换能器的外壳。优选地，壳体1的材料为铝合金或者钢，使得超声换能器具备良好的刚性，从而提高了超声换能器能够耐受的高静压力。

超声发射单元3发射的超声波传播至焦域，经过焦域后继续传播至超声发射单元3的内表面上，在超声发射单元3的内表面形成反射波。

优选地，腔体2的形状为球壳形或者包括球心在内的截球壳形，超声发射单元3的焦域为换能器壳体2的球心位置。本实施例中，腔体2的形状为包括球心在内的截球壳形，具体地，腔体2的形状为球台形，例如，腔体2的形状为鼓形。在实际应用中，腔体2的形状还可以为其它形状，此处不再一一列举。

图2为声波传播示意图，如图2所示，超声发射单元3发射的超声波传播至球心位置O，经过球心位置O后继续传播至超声发射单元3的内表面上，再经超声发射单元3的内表面的反射形成反射波。当腔体2满足共振条件时，即腔体2形成共振腔时，球心位置O处直接聚焦的超声波和反射波的相位相同，因此可以在球心位置O处形成声波叠加，使得共振腔内形成强度很高的稳定声场分布，使得球心位置O处达到高声压，从而提高了焦域的声压。

超声发射单元3位于壳体1的内表面上，具体地，可在壳体1的内表面上粘贴多个超声发射单元3。超声发射单元3的外表面朝向壳体1，则可将超声发射单元3的外表面粘贴至壳体1的内表面上。优选地，超声发射单元3的数量为多个，超声发射单元3为压电阵元，例如，压电阵元的材料为压电陶瓷或1-3型压电复合材料。多个超声发射单元3采用阵元组合式结构。本实施例中，可根据腔体2的形状和聚焦要求设计压电阵元的参数，可通过数值模拟的方法研究压电阵元的数量和排列方式对聚焦性能和声压的影响，研究表明结果焦域(球心位置O)处的声压大小与压电阵元的个数成正比关系。多个压电阵元依次排列于腔体2的表面上，优选地，多个压电阵元以等间距密排的方式排列于腔体2的表面上，有利于对超声波的旁瓣的抑制。另外，压电阵元的振动模态采用厚度振动模态，以提高其电声转换效率。

可选地，超声发射单元3的内表面可设置有电极保护层(图中未具体画出)。优选地，电极保护层的材料为镍或者非金属材料。超声发射单元3的内表面为负极，则可将超声发射单元3的负极化学镀镍或者非金属材料，以形成电极保护层。上述电极保护层的制作过程可在将超声发射单元3设置于壳体1的内表面之前进行，形成电极保护层的过程为对超声发射单元3进行预处理的过程。该电极保护层可起到对超声发射单元3的电极的保护作用。

可选地，超声发射单元3的内表面可设置匹配层(图中未具体画出)。优选地，匹配层的材料为高分子材料。超声发射单元3的内表面为负极，则可在超声发射单元3的负极上制作高分子材料层。上述匹配层的制作过程可在将超声发射单元3设置于壳体1的内表面之前进行，形成匹配层的过程为对超声发射单元3进行预处理的过程。匹配层是超声换能器的重要组成部分，匹配层的作用在于匹配超声发射单元和超声换能器的介质(例如水)之间的声阻抗差异,能实现声阻抗匹配或过渡，使超声发射单元与介质水之间的声能透过率大幅度提高，与此同时可以展宽超声换能器的带宽，使换能器的声波能量利用率得到提高,性能得到改善。对于一个给定的频率，匹配层的厚度原则上为1/4λ，但会根据超声换能器的实验数据进行厚度修正，方法是先按超声换能器的带宽和电声转换效率进行仿真设计，再根据实验结果确定出匹配层的厚度。本实施例中，设置匹配层使得超声波能够更好的发射，以及提高反射波的反射率。

进一步地，该超声换能器还包括：上端盖4和下端盖5。上端盖4位于腔体2的上方，且上端盖4安装于壳体1上；下端盖5位于腔体2的下方，且下端盖5安装于壳体1上。

进一步地，该超声换能器包括：连接座6和电源航插接头7。优选地，连接座6为抗压连接座，电源航插接头7为抗压电源航插接头。连接座6和电源航插接头7均采用水密接头和一体化硫化电缆方式，密封方式采用密封圈密封及橡胶硫化密封工艺。对连接座6和电源航插接头7的安装面采取双重密封，同时每个电连接每芯采取四重密封圈密封。每套连接座6和电源航插接头7制作完成后对每个连接座6和电源航插接头7的尾部采用橡胶全密封的硫化工艺，确保能够耐受的静水压≥10MPa。在安装连接座6和电源航插接头7时涂抹专用耐压密封脂确保密封及耐压指标。同时连接座6和电源航插接头7的连接电缆为满足耐压要求的特别定制电缆，每套电缆在制作完成后均采取严格的耐压试验及相关的技术指标检测。

本实施例中，腔体2的宽度为200mm至1000mm。例如，当腔体2的形状为球壳形或者包括球心在内的截球壳形时，腔体2的直径为200mm至1000mm。

本实施例中，超声发射单元3的工作频率为400kHz至1200kHz。

本实施例中，超声换能器耐受的静水压大于或等于10MPa。该超声换能器具备耐高静水压的特点，从而达到了抑制介质空化，提高空化阈值的目的。本实施例中的超声换能器能够在深水、加压或者常压的环境下使用。

本实施例中，焦域的声压大于或者等于10⁹Pa。

本实施例中，壳体1的厚度为20mm至50mm。

本实施例提供的超声换能器的技术方案中，超声换能器包括壳体，壳体的内部设置有腔体，壳体的内表面设置有至少一个超声发射单元，本实施例提供的超声换能器实现了共振聚焦且能够耐高静水压力，从而进一步提高了焦域的声压。本实施例中的超声换能器通过在壳体的内部设置腔体以及在壳体的内表面设置超声发射单元即可形成超声换能器的基本结构，工艺难度和加工要求较低，从而便于实现且降低了成本。本实用新型的壳体的内表面既是超声发射面又是声波的反射面，通过超声换能器频率跟踪与补偿，相位控制，超声波发射与反射实现了声波共振聚焦，能实现稳定的球形驻波聚焦声场和亚波长精细焦域，使得超声换能器可获得10⁹Pa的高声压，从而为科学研究提供新的研究平台。本实施例中，超声发射单元位于壳体的内表面，超声发射单元可发射超声波并使超声波直接在介质中传播，由于壳体是刚性的且厚度是超声波波长的数十倍，因此该超声换能器的发射效率较高。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。