专利名称：声学聚焦换能器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种声学聚焦换能器，具体地说，是指一种通过改进压电元件的电极，采用环形设计来减小焦平面上主瓣半功率点的半径，并使其景深延长的声学聚焦换能器。
背景技术：
声学聚焦换能器被广泛地用于声学显微镜、喷墨打印、材料喷涂、微粒操作等领域。在上述这些领域的应用中，声学聚焦换能器在其焦平面上主瓣的半径，特别是主瓣上半功率点(3dB)距离焦平面中心位置的距离，即R3dB决定了上述各种应用的分辨率。聚焦声场中，在声轴上焦点附近半功率点之间的距离被定义为景深。景深越长则越有利于提高上述应用的稳定性和方便性。然而，在传统的球面声学透镜的设计中，为了减小R3dB通常需要减小透镜的F数(Fn)或者声波的波长(λ)，由于景深的计算公式为L＝7.1λFn2，所以这样做的直接后果就是导致景深缩短。因此，主瓣宽度与景深似乎成为不可兼得的矛盾。为此，长久以来人们总是力图找到减小R3dB提高分辨率并能延长景深的方法。由于分别率始终是人们最为关心的指标，所以本实用新型仍然以减小R3dB为首要目标。
焦平面上的R3dB的计算公式为R3dB＝0.51Fnλ＝0.51RC2/[(1-C2/C1)Df]其中，Fn是球面透镜的Fresnel数，Fn＝R/[(1-C2/C1)D]λ是声波在介质液体中的波长，λ＝C2/fR是球面透镜的曲率半径f是声波的频率C1是声波在透镜材料中的传播速度C2是声波在介质液体中的传播速度D是球面透镜的弧面直径由于C2/C1是声波在介质液体和透镜材料中的传播速度之比，对于选定的介质液体和透镜材料，它是一个常值。所以，要想减小R3dB可以通过减小R/D和f/C2来实现。R/D体现的是对超声透镜几何形状的要求，该值不仅受到实际几何条件的约束(R/D≥0.5)，而且还受制于具体应用中的其他要求。例如，在超声聚焦喷射中，为了便于控制介质液体的厚度，弧面张角通常小于120°，所以R/D≥0.577。C2/f实际上表示的是声波在介质液体中的波长，对于特定的介质液体来说，要想减小波长只能提高声波的频率，然而随着声波频率的提高，不仅会增加高频电路的制作成本，而且还会导致声强在介质液体中的衰减迅速增强。
发明内容
本实用新型的目的是在不提高声波频率的条件下，通过改进电极结构形式来实现减小声学聚焦换能器在其焦平面上的R3dB值，并延长景深的声学聚焦换能器。
本实用新型的声学聚焦换能器，由引线、环形电极、压电薄膜、圆形电极、声学透镜组成，环形电极和圆形电极分别镀在压电薄膜的两面，其中一电极同声学透镜的平面端连接。脉冲调制的微波信号通过引线分别施加到环形电极和圆形电极上，在压电薄膜中激发出机械振动，该振动通过声学透镜被汇聚到焦点区域内。由于其中一个电极采用的是环形设计，所以焦平面上的半功率点半径会小于传统的设计，而沿声轴方向的景深长度却会长于传统设计。
本实用新型换能器的优点是尤其在高频应用中可以降低能量衰减，提高使用方便性。其在焦平面上的主瓣半功率点半径下降了16.2％，景深延长了53.0％。
图1是本实用新型的结构示意图。
图2是公式中各个符号的几何含义说明。
图3是本实用新型与传统声学聚焦换能器的R3dB比较图。
图4是本实用新型与传统声学聚焦换能器的景深比较图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。
请参见图1所示，本实用新型的声学聚焦换能器由引线1，环形电极2，压电薄膜3，圆形电极4，声学透镜5组成，环形电极2和圆形电极4分别镀在压电薄膜3的两面，圆形电极4同声学透镜5的平面端连接。脉冲调制的微波信号通过引线1分别施加到环形电极2和圆形电极4上，在压电薄膜3中激发出机械振动，该振动通过声学透镜5被汇聚到焦点区域内。
在本实用新型的声学聚焦换能器中，环形电极2和圆形电极4的位置可以互换。
当选取弧面张角θ＝120°，压电薄膜3的直径不小于球面声学透镜5的弧面直径D，透镜材料为石英玻璃，介质液体为水时，压电薄膜3两面的电极都采用传统的圆形形状的电极，R3dB＝0.37λ，L3dB＝2.84λ；当采用同声学透镜5的平面端连接的电极为环形电极2，压电薄膜3另一面为圆形电极4，假设内径为d，并且d/D＝0.68时，R3dB＝0.31λ，L3dB＝4.42λ。与传统的声学聚焦换能器相比，R3dB缩小了16.2％，L3dB增加了53.0％。(如图3和图4所示)经测试证明，当采用同声学透镜5的平面端连接的电极为圆形电极4，压电薄膜3另一面为环形电极2，其R3dB＝0.31λ，L3dB＝4.42λ。与传统的声学聚焦换能器相比，R3dB缩小了16.2％，L3dB增加了53.0％。
图3显示的是采用传统圆形电极(改进前)和本实用新型提出的环形电极(改进后)制作的声学聚焦换能器在其焦平面上声压的分布曲线。其中透镜材料选用的是石英玻璃，介质液体为水，声学透镜的弧面张角为120°。从该图可以看出传统设计的主瓣半功率半径约为0.37λ，而改进后约为0.31λ，减小了16.2％。
图4显示的是采用传统圆形电极(改进前)和本实用新型提出的环形电极(改进后)制作的声学聚焦换能器在其焦平面附近沿其主轴方向上声压的分布曲线。其中透镜材料选用的是石英玻璃，介质液体为水，声学透镜的弧面张角为120°。从该图可以看出传统设计的景深约为2.84λ，而改进后约为4.42λ，延长了53.0％。
下面以实际例子来说明上述改进指标的潜在效果，但是其效果并不仅限于此。
R3dB减小了16.2％，意味着在满足同样分辨率要求的情况下频率可以降低16.2％。当声波频率从600MHz降低到500MHz后，同样在水中传播300μm，它们的声强衰减幅度之比竟为5∶1。当然，声衰减可以通过减小传播距离，即缩短焦距来减小，但是这样就必须进一步缩小透镜的尺寸，导致透镜加工的难度增加，甚至无法加工。
在超声聚焦喷射中由于空气的特性声阻抗通常远远小于介质液体的特性声阻抗，所以声波到达自由液面后将会发生剧烈的反射。这些反射回来的声波会与正从透镜那边传播过来的声波发生干涉，形成驻波，这会增强部分区域的振幅，形成波腹；同时也会削弱部分区域的振幅，形成波节。波腹和波节之间的距离为四分之一波长。造成喷射过程稳定性较差。为此Scott A Erold等人，采用了多信号源激励来改变驻波的波腹点位置，以及引入高衰减油墨来抑制驻波形成的方法，但是这种做法不仅需要输入更多的能量，并且增加了微波驱动电路的复杂性。采用本实用新型的设计，由于可以降低声波的频率，所以可以延长波长，从而增加波腹和波节之间的距离，提高喷射过程的稳定性。不仅如此，随着声波频率的降低还可以减少能量损失。
权利要求1.一种减小主瓣宽度并延长景深的声学聚焦换能器，由引线(1)、声学透镜(5)、压电薄膜(3)组成，压电薄膜(3)上的其中一个电极同声学透镜(5)的平面端连接，其特征在于所述的压电薄膜(3)的两面分别镀有电极(2、4)，其电极(2、4)一面为环形，另一面为圆形。
2.根据权利要求1所述的声学聚焦换能器，其特征在于所述的电极(2)可以为环形或圆形。
3.根据权利要求1所述的声学聚焦换能器，其特征在于所述的电极(4)可以为环形或圆形。
4.根据权利要求1所述的声学聚焦换能器，其特征在于压电薄膜(3)两面镀有的电极的位置可以互换。
5.根据权利要求1所述的声学聚焦换能器，其特征在于声学透镜(5)可以是平面带状或阶梯带状透镜。
专利摘要本实用新型公开了一种减小主瓣宽度并延长景深的声学聚焦换能器，该换能器由引线、声学透镜和压电薄膜组成，其压电薄膜的两面分别镀有圆形电极和环形电极，其圆形电极同声学透镜的平面端连接，脉冲调制的微波信号通过引线分别施加到压电薄膜的两个电极上，在压电薄膜中激发出机械振动，该振动通过声学透镜被汇聚到焦点区域内。由于其中一个电极采用的是环形设计，而不是传统设计中的圆形，所以焦平面上的半功率点半径会小于传统的设计，而沿声轴方向的景深长度却会长于传统设计。
文档编号G10K11/26GK2682531SQ20042000346
公开日2005年3月2日 申请日期2004年2月12日 优先权日2004年2月12日
发明者张波, 张德远, 郑新芬 申请人:北京航空航天大学