一种用于平面探头声聚焦的聚焦声学透镜及其应用和方法

本发明涉及超声应用，具体为一种用于普通平面探头实现声能聚焦的平面聚焦声学透镜设计、制备及其应用和方法。

背景技术：

1、声学聚焦在超声领域具有广泛的应用。在无损检测中，聚焦区的声束较窄，声能较为集中，由此可大幅提升缺陷回波幅值，提高检测灵敏度及分辨率；在治疗超声中，聚焦可以汇聚大量能量，消融聚焦区的病变组织或是击碎结石。现有的超声聚焦方法主要分为相控阵电子控制或非相控阵电子控制两种，前者利用控制阵列中超声脉冲波的发射起始时间实现聚焦；后者则通过物理手段，例如增加声透镜、使用凹面压电材料等方法实现聚焦。但现有的声透镜通常为凹面或是孔洞式的格栅结构，无法直接与目标物体有效耦合，使用过程繁琐。同时，凹面压电材料制备的自聚焦超声探头成本高昂，随着频率增加，制造难度大幅提升；且制备后的单一探头聚焦区域固定，难以应用不同场景。

2、平面超声探头是最常见的实现无损检测或超声治疗的工具之一。根据正逆压电效应，压电晶体可以完成超声发射和接收的双重功能。但现存大量的平面探头由于自身结构限制，波束较宽，能量不够集中，使用场景有限。因此，亟须开发一种适配平面超声探头实现焦距按需可调的声学聚焦技术。

技术实现思路

1、针对以上提到的相关问题，面对现存普通平面探头，波束能量不集中、使用场景有限；以及对现有超声探头使用效率低、信息量不足；以及现有的声透镜、目标使用场景难以与平面超声探头耦合充分等现状。

2、本发明提供了一种用于平面探头声聚焦的聚焦声学透镜及其应用和方法：根据不同尺寸、频率的平面探头，以及预设的目标聚焦区域，制备相应的平面透镜，可以大幅提升现有探头利用率，大幅提升平面探头在无损检测、医疗超声中的检测、治疗效率，有巨大应用潜力。

3、为实现上述目的，提供技术方案如下：

4、一、一种用于平面探头声聚焦的聚焦声学透镜：

5、所述聚焦声学透镜为厚度均匀的平板式结构，在结构的表面上设置具有不同声速的区域，相邻两个区域的声速不同，使得每相邻两个区域之间具有声速差。

6、所述聚焦声学透镜的各处厚度均相同，上下表面均为平面。

7、所述聚焦声学透镜具有两种声速的区域，两种声速的区域交替分布。

8、所述区域的数量为多个宽度不一的环形区域。

9、所述聚焦声学透镜以中心径向向外设置位于中心的中央区域和位于外围的多个环形区域，相邻两个环形区域的声速不同，相互之间仅间隔一个环形区域的每两个环形区域的声速均相同，且中央区域的声速和由中央区域开始径向向外的第二个环形区域的声速相同。

10、所述聚焦声学透镜中不同声速的区域通过以不同材料制作形成，或者采用同种材料掺杂不同含量的成分或区域改性引入物性差异形成。具体实施中制作完成的聚焦声学透镜可调制入射平面波聚焦在预设的目标聚焦点。

11、固体纵波声速主要取决于材料的弹性模量和密度，所述声速差来源于不同区域的模量存在差异或密度存在差异或模量和密度同时存在差异，具体实施通过包括但不限于物理复合、增材制造、区域改性方法进行制备。

12、所述聚焦声学透镜的上下表面其中之一用于与平面探头有效贴合，另一用于和被测物的表面相贴合，平面探头发出平面波透射经过聚焦声学透镜的各个区域调制后形成透射声波，透射声波聚焦到被测物内部。

13、所述聚焦声学透镜通过涂敷超声耦合剂或在水浸条件下，同时与普通平面探头和检测（治疗）物体相贴合，相较于现存的凹面式、格栅式、腔体式等聚焦声学透镜，有着优异的耦合性能。

14、所述聚焦声学透镜的材料选择声阻抗与平面探头相匹配的且声衰减系数较小的材料，以降低入射能量损耗。声衰减系数较小具体是指声衰减系数小于1db/mm的材料。

15、所述聚焦声学透镜所选用的材料具体可以为聚氨酯酯、聚酯、环氧树脂、光固化材料等，具有声衰系数较小，无频散，机械强度高、制备方便简单。且材料声阻抗与平面探头的匹配层声阻抗接近，可有效透射换能器激发出的声能，且不会产生目标聚焦点以外影响使用的其他杂波。

16、所述聚焦声学透镜的厚度，与平面探头的频率、区域之间的声速差具有关联关系；进一步的，同一频率下，不同区域介质声速差越大，所述声学透镜厚度越小；同一厚度下，入射波频率越高，所述声学透镜厚度越小。具体如下：

17、φi=ki×l

18、ki=1/λi

19、λi=ci/f

20、式中，φi为平面探头发出的平面波透过聚焦声学透镜的第i个区域后的相位延时，ki为聚焦声学透镜的第i个区域的波数，l表示聚焦声学透镜的厚度，ci为声波经过聚焦声学透镜的第i个区域的声速，i表示区域的序号，i=1、2，f为所适配平面探头的频率参数；λi表示声波经过聚焦声学透镜的第i个区域的波长。

21、根据上述关联关系设置聚焦声学透镜的厚度l。

22、经试验测算，在满足透射波相位差为π的情况下，能够优选厚度较小的数值，能够减少透射声波在聚焦声学透镜中的衰减。

23、所述聚焦声学透镜表面任意点(x, θ1)处的相位分布是根据聚焦声学透镜的目标聚焦点(0，z)位置按照以下公式确定：

24、φ(x, θ1)= ki×(x2+z2×secθ12)1/2+c

25、其中，φ(x, θ1)为所述聚焦声学透镜表面所在的xy平面上任意点(x, θ1)处的相位分布，ki为聚焦声学透镜i处区域的波数，x表示所述聚焦声学透镜表面所在的xy平面上任意点(x, θ1)相距中心点(0，0)连线的x轴坐标位置，θ1为xy平面上一点和聚焦声学透镜中心点(0，0)连线时与x轴的夹角，z表示目标聚焦点沿z轴即光轴的坐标位置，其中c为任意常数。

26、二、聚焦声学透镜的制备方法：

27、s1、选取需适配的平面探头，测量平面探头的表面尺寸，记录平面探头的频率信息；

28、s2、选取制备所述聚焦声学透镜的两种不同区域材料，测量两种不同区域材料的声速；

29、s3、根据平面探头的频率信息和不同区域材料的声速，确定所述聚焦声学透镜的厚度l；

30、s4、根据目标聚焦点对应的焦距z，计算所述聚焦声学透镜的0和π相位差的平面分布；

31、由此，采用上述两种不同区域材料在同一厚度l下按照聚焦声学透镜的两种区域的平面分布进行聚焦声学透镜的制备。

32、所述步骤s3具体为：根据两种不同区域材料的声速和平面探头的频率按照以下公式计算两种不同区域的相位延时，并且以两种区域的相位延时之差为π的相位时，选择最小的厚度l作为聚焦声学透镜的厚度l：

33、φi=ki×l

34、ki=1/λi

35、λi=ci/f

36、式中，φi为平面探头发出的平面波透过聚焦声学透镜的第i个区域后的相位延时，ki为聚焦声学透镜的第i个区域的波数，l表示聚焦声学透镜的厚度，ci为声波经过聚焦声学透镜的第i个区域的声速，i表示区域的序号，i=1、2，f为所适配平面探头的频率参数；λi表示声波经过聚焦声学透镜的第i个区域的波长。

37、所述步骤s4具体按照以下公式确定所述聚焦声学透镜表面各处的分布：

38、φ(x, θ1)= ki×(x2+z2× secθ12)1/2

39、其中，φ(x, θ1)为所述聚焦声学透镜表面所在的xy平面上任意点(x, θ1)处的相位分布，ki为聚焦声学透镜i处区域的波数，x表示所述聚焦声学透镜表面所在的xy平面上任意点(x, θ1)相距中心点(0，0)连线的x轴坐标位置，θ1为xy平面上一点和聚焦声学透镜中心点(0，0)连线时与x轴的夹角。

40、二、一种平面可聚焦探头组件：

41、包括所述聚焦声学透镜和平面探头，所述的聚焦声学透镜固定布置在平面探头的探测表面用于将平面探头发出的平面波进行声聚焦。

42、三、平面可聚焦探头组件的应用，在工业无损检测、医学治疗中的应用。具体是在在工业无损检测中可大幅提升缺陷回波信号幅值、在医学治疗中可以将平面声波聚焦在焦点处消融病变组织。

43、所述聚焦声学透镜由具有区域性声速差异的材料构成。由于平面透镜内材料的不同区域声速不同，波束通过不同区域时会产生一定时延，可对平面探头激励的平面入射波相位进行调制，从而按需调控透射声波的目标聚焦点。

44、本发明还提供了聚焦声学透镜的使用方法，根据不同的使用场景，选择具有不同焦距的聚焦声学透镜装配在平面探头表面，此时普通平面探头即可具备聚焦功能。

45、一方面，本发明的聚焦声学透镜可用于工业无损检测，对比单一平面波束在缺陷处的回波，聚焦波束回波幅值更大；且由于其强大的可适配性，可以装配在任意现有的平面探头上，大幅提高了平面探头的使用效率。

46、另一方面，本发明的聚焦声学透镜也可用于超声聚焦治疗的医疗领域，在生物组织样品中显著提供更高温度的升温，实现了平面探头无法达到的聚集温度。

47、本发明的有益效果是：

48、由于现阶段现存大量平面探头使用效率低，可拓展性差；本发明的聚焦声学透镜可以与任何尺寸、频率平面探头相适配，作为探头配件使用，更为简单高效。

49、基于本发明的聚焦声学透镜，可使现有平面探头具备任意位置的聚焦功能，将大大提高现存普通平面探头的使用效率，在无损检测、医疗超声、超声操纵等领域有着巨大的潜力。

50、同时由于所述聚焦声学透镜结构为平板结构，且声阻抗与水和人体组织较为接近，因而有良好的耦合性能。

51、此外，本发明制造成本低，且可以重复使用，可大幅提升现有的超声检测、医疗超声治疗效率。