一种超材料声透镜相控阵换能器及提升焦点声压的方法

1.本发明涉及一种超材料声透镜相控阵换能器及提升焦点声压的方法。


背景技术：

2.在超声的一些应用技术中，为了获得高的超声强度或者将超声能量集中到一定的区域，必须利用超声聚焦。目前主要采用的超声聚焦方式有声透镜聚焦、自聚焦、相控阵聚焦，其存在的问题和缺陷主要有：1）焦点声能量不足；2）焦点位置固定或者只能依靠机械装置改变焦点位置；3）焦点偏转时主瓣周围会出现声压较大的旁瓣。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于解决超声聚焦焦点声能量不足、焦点位置固定或者只能依靠机械装置改变焦点位置、焦点偏转时主瓣周围会出现声压较大的旁瓣的问题，提供一种超材料声透镜相控阵换能器及提升焦点声压的方法。
4.为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种超材料声透镜相控阵换能器，包括相控阵超声换能器、及位于相控阵超声换能器上方的可拆装的超材料声透镜，通过可拆装的超材料声透镜，使得相控阵超声换能器焦点偏转时，可通过改变超材料声透镜的内部结构实现焦点位置跟随相控阵超声换能器焦点位置改变，从而在声焦点偏转时不增加旁瓣声压的情况下实现焦点声压的提升。
5.在本发明一实施例中，所述相控阵超声换能器为压电陶瓷按照预定方式呈阵列布置；所述超材料声透镜以聚苯乙烯基体为主体，聚苯乙烯基体上均匀分布着凹槽。
6.在本发明一实施例中，不同圈的凹槽内填充高度比例不同的聚氨酯和聚苯乙烯。
7.本发明还提供了一种基于上述所述的超材料声透镜相控阵换能器的提升焦点声压的方法，所述超材料声透镜相控阵换能器在使用时，通过在不同圈的凹槽内填充高度比例不同的聚氨酯和聚苯乙烯，使得同相位入射不同圈的凹槽的声波出射时产生相位差以消除一部分声波因到焦点声程不同而导致的相位差的影响，从而利用声波的干涉效应实现焦点声压的提升。
8.在本发明一实施例中，当声焦点不偏转，即焦点在声轴上时，从最外圈凹槽至最内圈凹槽，聚苯乙烯所占高度比例逐渐降低，聚氨酯所占高度比例逐渐增加；当声焦点偏离声轴时，即焦点位置发生偏转，此时将焦点对应位置的超材料声透镜的凹槽视作最内圈，从最外圈凹槽至最内圈凹槽，聚苯乙烯所占高度比例逐渐降低，聚氨酯所占高度比例逐渐增加，从而实现在声焦点偏转时不增加旁瓣声压的情况下实现焦点声压的提升。
9.相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：1）有效提升声焦点的主瓣声压；2) 在空间中改变声焦点的位置无需借助复杂的机械结构；
3）当声焦点在空间中偏转时有效提升主瓣声压，降低旁瓣声压。
10.本发明用途：该超材料声透镜相控阵换能器可用于医学治疗，vr触觉反馈，超声操控。
附图说明
11.图1是本发明超材料声透镜相控阵换能器结构示意图。
12.图2是本发明超材料声透镜相控阵换能器俯视图。
13.图3是图2声焦点不偏转时的a-a剖视图。
14.图4是图2声焦点偏转时的a-a剖视图。
15.图中：1-压电陶瓷，2-聚苯乙烯基体，3-凹槽，4-聚苯乙烯，5-聚氨酯。
具体实施方式
16.下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
17.本发明一种超材料声透镜相控阵换能器，包括相控阵超声换能器、及位于相控阵超声换能器上方的可拆装的超材料声透镜，通过可拆装的超材料声透镜，使得相控阵超声换能器焦点偏转时，可通过改变超材料声透镜的内部结构实现焦点位置跟随相控阵超声换能器焦点位置改变，从而在声焦点偏转时不增加旁瓣声压的情况下实现焦点声压的提升。所述相控阵超声换能器为压电陶瓷1按照预定方式呈阵列布置；所述超材料声透镜以聚苯乙烯基体2为主体，聚苯乙烯基体上均匀分布着凹槽3。不同圈的凹槽内填充高度比例不同的聚氨酯5和聚苯乙烯4。
18.本发明还提供了一种基于上述所述的超材料声透镜相控阵换能器的提升焦点声压的方法，所述超材料声透镜相控阵换能器在使用时，通过在不同圈的凹槽内填充高度比例不同的聚氨酯和聚苯乙烯，使得同相位入射不同圈的凹槽的声波出射时产生相位差以消除一部分声波因到焦点声程不同而导致的相位差的影响，从而利用声波的干涉效应实现焦点声压的提升。
19.以下为本发明具体实现过程。
20.本发明一种超材料声透镜相控阵换能器主要由相控阵超声换能器和超材料声透镜组成。相控阵超声换能器为压电陶瓷按照一定方式呈阵列布置；超材料声透镜以聚苯乙烯(ps)基体为主体，其上均匀分布着凹槽。使用时不同圈的凹槽内填充高度比例不同的聚氨酯（pu）和聚苯乙烯（ps）。由于聚苯乙烯（ps）和聚氨酯（pu）声速不同，同相位入射不同圈层的凹槽的声波出射时产生相位差；该相位差可消除一部分声波因到焦点声程不同而导致的相位差的影响，从而利用声波的干涉效应实现焦点声压的提升。
21.1、如图2、3所示，当声焦点不偏转，即焦点在声轴上时，由于聚苯乙烯（ps）声速较大，因此从最外圈凹槽至最内圈凹槽，聚苯乙烯（ps）所占高度比例逐渐降低，聚氨酯（pu）所占高度比例逐渐增加。
22.2、如图2、4所示，当声焦点偏离声轴时，即焦点位置发生偏转。此时将焦点对应位置的超材料声透镜的凹槽视作最内圈。相应的，这些区域的凹槽填充的聚氨酯（pu）所占高度比例最大，从这些最内圈到最外圈聚氨酯（pu）所占高度比例逐渐降低，聚苯乙烯（ps）所占高度比例逐渐增加。
23.以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。


技术特征：
1.一种超材料声透镜相控阵换能器，其特征在于，包括相控阵超声换能器、及位于相控阵超声换能器上方的可拆装的超材料声透镜，通过可拆装的超材料声透镜，使得相控阵超声换能器焦点偏转时，可通过改变超材料声透镜的内部结构实现焦点位置跟随相控阵超声换能器焦点位置改变，从而在声焦点偏转时不增加旁瓣声压的情况下实现焦点声压的提升。2.根据权利要求1所述的一种超材料声透镜相控阵换能器，其特征在于，所述相控阵超声换能器为压电陶瓷按照预定方式呈阵列布置；所述超材料声透镜以聚苯乙烯基体为主体，聚苯乙烯基体上均匀分布着凹槽。3.根据权利要求2所述的一种超材料声透镜相控阵换能器，其特征在于，不同圈的凹槽内填充高度比例不同的聚氨酯和聚苯乙烯。4.一种基于权利要求2或3所述的超材料声透镜相控阵换能器的提升焦点声压的方法，其特征在于，所述超材料声透镜相控阵换能器在使用时，通过在不同圈的凹槽内填充高度比例不同的聚氨酯和聚苯乙烯，使得同相位入射不同圈的凹槽的声波出射时产生相位差以消除一部分声波因到焦点声程不同而导致的相位差的影响，从而利用声波的干涉效应实现焦点声压的提升。5.根据权利要求4所述的一种提升焦点声压的方法，其特征在于，当声焦点不偏转，即焦点在声轴上时，从最外圈凹槽至最内圈凹槽，聚苯乙烯所占高度比例逐渐降低，聚氨酯所占高度比例逐渐增加；当声焦点偏离声轴时，即焦点位置发生偏转，此时将焦点对应位置的超材料声透镜的凹槽视作最内圈，从最外圈凹槽至最内圈凹槽，聚苯乙烯所占高度比例逐渐降低，聚氨酯所占高度比例逐渐增加，从而实现在声焦点偏转时不增加旁瓣声压的情况下实现焦点声压的提升。

技术总结
本发明涉及一种超材料声透镜相控阵换能器及提升焦点声压的方法。包括相控阵超声换能器、及位于相控阵超声换能器上方的可拆装的超材料声透镜，通过可拆装的超材料声透镜，使得相控阵超声换能器焦点偏转时，可通过改变超材料声透镜的内部结构实现焦点位置跟随相控阵超声换能器焦点位置改变，从而在声焦点偏转时不增加旁瓣声压的情况下实现焦点声压的提升。本发明将超材料声透镜附加在相控阵超声换能器上从而提高声焦点声压；同时由于该超材料声透镜是可以拆装的，因此在相控阵超声换能器焦点偏转时，可通过改变超材料声透镜的内部结构实现焦点位置跟随相控阵超声换能器焦点位置改变，从而在声焦点偏转时不增加旁瓣声压的情况下实现焦点声压的提升。况下实现焦点声压的提升。况下实现焦点声压的提升。


技术研发人员：任志英 李想 刘星星 陈锦泉
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：2021.11.25
技术公布日：2022/2/28