一种基于声电联合结构的扩展仿生探头的制作方法
【专利摘要】本发明提出一种基于声电联合结构的扩展仿生探头，包括多斜率顶面圆锥发射探头、接收捆绑探头阵列和套接头；多斜率顶面圆锥发射探头实现宽带聚能发射；接收捆绑探头阵列实现宽带高灵敏接收；套接头把接收捆绑探头阵列套接在多斜率顶面圆锥发射探头的底端。采用发射探头和接收探头的功能分离，基于声电联合结构的发射探头专注于大功率连续宽频超声波的能量聚集发送，基于声电联合结构的接收探头专注于宽频信号的高灵敏接收。该扩展仿生超声探头声电结构一起设计，能有效发出宽频超声波，且能最高效率接收微弱信号。
【专利说明】
-种基于声电联合结构的扩展仿生探头
技术领域
[0001] 本发明设及超声探测技术，具体设及基于声电联合结构的扩展仿生探头。
[0002]
【背景技术】
[0003] 在超声波检测过程中，超声波的发射和接收是通过超声探头来实现的。目前的超 声探头一般既作为发射探头也作为接收探头，在发射时，超声探头作为发射探头发超声波 出去，然后马上切换为接收状态，等待接收。超声波经过探测物反射，反射的超声波到达超 声探头，超声探头作为接收探头接收超声波。运种单工的工作方式要求发射的超声波持续 时间短，接收反射波时不能再发送超声波，因此发射波一般为短脉冲。
[0004] 超声探头既作为发射探头也作为接收探头有其自身的特点，作为发射探头更多关 注的是发射超声波功率大，运样一来可W提高发射信号的信噪比，二来可W增加传播距离， 提高穿透能力。对发射探头来说，增加发射功率，要承受更大的发射功率，就得增加换能器 晶片的底面积，从而提高发射信号的能量。作为接收探头更多关注的是接收超声波的灵敏 程度，能接收微弱的反射超声波是其主要的目标。运就要求接收探头探测面积小，干扰小， 而且为提高探测的精度，特别是提高横向分辨力更需要探测面积小。即是说发射探头的性 能目标和接收探头的性能目标是不一致的，或者说是不能兼得的，因此发射探头和接收探 头不宜用同一个探头来实现。
[0005] 从信息论的角度来看，探头的发射信号应该为一个宽频连续信号。根据香农信息 论，信号的信息量为
(公式1) 其中I为探测信号的信息量，B为探测信号的频带宽度(频宽），T为探测信号时长（时 宽），S/N为信号的信噪比。从(公式1)可W看到，信息量与带宽成正比，提高信噪比和增加带 宽可W提高信息量，且在获取同等信息量下，增加带宽能够降低对发射信号信噪比的要求。 同样，信息量与探测信号时长成正比，增加探测信号时长可W提高信息量，且在获取同等信 息量下，增加探测信号时长能够降低对发射信号信噪比的要求。因此，宽带信号的连续发射 既是发射宽频信号，又增加了可用信号的长度，使得在相同能量下信号的峰值远远比脉冲 的峰值低，从而可W降低发射功率，提高信号能效。而现在的探头基本不支持宽频发送。
[0006] 现在用于超声探测的探头的特点为： 1)发射脉冲波，脉冲波发射时间短，脉冲幅度高，因此需要较高的发射能量，使得脉冲 发射信号能效低。
[0007] 2)不支持宽频连续波的发送。
[0008] 3)很多探测采用单工工作模式，即是同一探头，既作为发射探头也作为接收探头， 使得发送和接收的性能相互制约，都不能得到有效地提高。
[0009] 在生物界有很多动物靠超声波的发射和接收来定位目标捕食生存的，如"雷达飞 兽"骗幅在空中利用超声波来"导航"，能迅速准确捕捉飞虫，甚至能在完全黑暗中，W极快 的速度精确地飞翔，而不会同前方的物体相撞。骗幅用嘴己发出超声波，当遇到食物或障碍 物时，超声波反射回来，骗幅用两耳接收物体的反射波，并据此确定该物体的位置，且通过 分析两耳分别接收的反射波间的差别，来辨别物体的远近、形状大小及性质。若将它的耳蒙 上，并把嘴堵上，则失去避免与物体相撞的本领。此外，某些海洋哺乳类也能通过在水下发 出频带很宽的声波(甚至高达30万赫)来进行定位。如齿嫁、海豚，接收附近地形对声音的反 射波，用回声定位来测定方向，得知物体或海岸的位置。某些海豹、海狮也能在水下发超声 波。采集运些生物发出的声音，分析可W看到，运些生物发出的都是宽频连续超声波，另外 其发送和接收都是用不同的器官，各司其职，才使得它们的探测那么精确。
【发明内容】
[0010] 针对目前超声探头W发射脉冲为主，不支持宽频连续波的发送，探测多采用单工 模式使得探测精度不高的缺点，受生物体的高精度探测启发，本发明提出一种基于声电联 合结构的扩展仿生探头，使发射探头和接收探头的功能分离，基于声电联合结构的发射探 头专注于大功率(满足超声探测需要)连续宽频超声波的能量聚集发送，基于声电联合结构 的接收探头专注于宽频信号的高灵敏接收。
[0011] 本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
[0012] -种基于声电联合结构的扩展仿生探头，包括多斜率顶面圆锥发射探头、接收捆 绑探头阵列和套接头；多斜率顶面圆锥发射探头实现宽频聚能发射;接收捆绑探头阵列实 现宽频高灵敏接收;套接头把接收捆绑探头阵列套接在多斜率顶面圆锥发射探头的底端。
[0013] -种基于声电联合结构的扩展仿生探头的优化方案，多斜率顶面圆锥发射探头的 声结构特点为:整个结构为一个圆锥体结构，类似生物中发出声音的嘴己，包括一个具有多 斜率顶面的圆锥体、若干超声换能器晶片。
[0014] 上述具有多斜率顶面的圆锥体，其顶面不是平坦的，而是具有多斜率的不规则平 面组成的，即是每个不规则平面的斜率都可W不一样。每个不规则平面开设若干个开槽来 放置相应数量的超声换能器晶片。圆锥体锥体中间采用透声材料制作或者是里面中空，使 用时填充透声液体;圆锥体锥体和顶面是可W分离的，通过设纹路来旋转套接;圆锥体锥体 侧面外面添加一个非透声层;圆锥体底部是一个圆环面，外环为非透声层，内环为圆锥底部 口，与锥体中间是一体的，由透声材料制作或者是中空。
[0015] 上述若干个超声换能器晶片分布在圆锥体圆锥顶面的每个不规则平面上的开槽 内，其大小、发射中屯、频率、相互之间的间隔都可W不同；超声换能器晶片可W为压电陶瓷 晶片，也可W是其他类型的压电晶片，支持发送大功率(满足探测需要即可）的窄带变频信 号。
[0016] 上述具有多斜率顶面的圆锥体，根据顶面设置的开槽个数来安置相应数量的超声 换能器晶片，安置好之后再旋转套接在圆锥体上，使之成为整体。
[0017] 上述多斜率顶面圆锥发射探头由安置在圆锥多顶面上的若干个超声换能器晶片 共同发射宽频超声波到圆锥底部口；顶面的每个不规则平面的开槽都面向圆锥底部口，使 得安置在上面的超声换能器晶片发射的超声波都尽可能多地直射到圆锥底部口，衰减最 少，好似吹口哨的嘴己，使得发出的声音尽可能大。若圆锥多顶面上的超声换能器晶片发射 的超声波绝大多数都入射到圆锥体的侧面，再经过反射，入射到圆锥底部口的超声波经过 路径变长，且经过反射，衰减必然会大于直达到圆锥底部口的超声波。多斜率顶面圆锥发射 探头的圆锥侧面外面由于添加了非透声层，使得即使超声波入射到圆锥侧面也大部分能够 反射回来。
[0018] 上述多斜率顶面圆锥发射探头高度由圆锥体顶面面积，顶面每个不规则平面的斜 度，圆锥底部口 口径大小共同决定，决定的原则是:超声换能器晶片发出的超声波直射到圆 锥底部口尽可能多，使得能量尽可能大地汇聚。
[0019] 上述多斜率顶面圆锥发射探头，为防止超声波向后发射，其顶面后面加上非透声 材料制作的背衬。
[0020] -种基于声电联合结构的扩展仿生探头的优化方案，多斜率顶面圆锥发射探头的 电结构特点为:多斜率顶面圆锥发射探头由安置在圆锥多顶面上的若干个超声换能器晶片 共同发射宽频超声波，包括数模(DA)转换器、分频器和若干个功率放大器。连续宽频发送信 号经过数模(DA)转换后，通过分频器后先进行频带分割，再由对应的窄带功放进行功率放 大，再发送给对应的超声换能器晶片。运样在圆锥底部口汇聚的超声波是一个宽频的超声 波。
[0021] -种基于声电联合结构的扩展仿生探头的优化方案，接收捆绑探头阵列的声结构 特点为：由若干个接收探头捆绑组组成，好似生物体中的耳朵，但是运里可W根据需要由多 个"耳朵"（接收探头捆绑组）组成；每个接收探头捆绑组由不同中屯、频率的超声换能器组 成，使之能接收不同频段的超声波，为宽频接收;不同中屯、频率的超声换能器的大小可W不 同，可W选用体积比较小灵敏度比较高的薄膜探头或者电容式微加工超声传感器(CMUT)探 头;若干个接收探头捆绑组对称分布;若干接收探头捆绑组排列而成的阵列放置在一电路 板上，其形状随探测场景的不同，可W设置成为不同的形状，如圆形，方形等，接收不同方向 的超声回波，该电路板中间开孔，使其能通过套接头套接在多斜率顶面圆锥发射探头的底 JLjJU 乂而。
[0022] -种基于声电联合结构的扩展仿生探头的优化方案，接收捆绑探头阵列的电结构 特点为:每个接收探头捆绑组的超声换能器都有一个前置放大电路紧贴，使之接收的超声 信号能够立即放大。每路放大后再经过单路模数(AD)转换后被采集为多路接收信号。
[0023] -种基于声电联合结构的扩展仿生探头的优化方案，套接头附在多斜率顶面圆锥 发射探头的圆锥底部口下面，通过螺纹把接收捆绑探头阵列套接在多斜率顶面圆锥发射探 头的底端。
[0024] 与现有的超声探头相比，本发明具有W下优点： (1)该超声探头可W发送连续宽频信号。带宽的增加和发射信号的持续时间的增加使 得整个探测系统的性能得W提高。
[0025] (2)该扩展仿生超声探头受生物界高精度的探测思想启发，把发射探头和接收探 头分开，各自专注提升自己的性能。
[0026] (3)提升发射探头的性能。多斜率顶面圆锥发射探头的声结构为一个圆锥体结构， 类似生物中发出声音的嘴己；另外顶面的每个不规则平面都面向圆锥底部口，使得安置在 上面的超声换能器晶片发射的超声波都尽可能多地直射到圆锥底部口，衰减最少，好似吹 口哨的嘴己，使得发出的声音尽可能大。
[0027] (4)提升接收探头的性能。接收探头由若干接收探头捆绑组组成，好似生物体中的 耳朵，但是运里可W根据需要由多个"耳朵"（接收探头捆绑组)组成，个数按需设置;每个接 收探头捆绑组由不同中屯、频率的超声换能器组成，能够宽频接收，按需组成。且还可W根据 测试场景把若干接收探头捆绑组排列成不同形状的阵列，接收不同方向的超声回波，按需 排列。
[0028] 巧)该扩展仿生超声探头声电结构一起设计，能有效发出宽频超声波，且能最高效 率接收微弱信号。
[0029]
【附图说明】
[0030] 图1是本发明的基于声电联合结构的扩展仿生探头示意图。
[0031] 图2a是本发明的多斜率顶面圆锥发射探头的声结构示意图。
[0032] 图化是本发明的多斜率顶面圆锥发射探头的多顶面示意图。
[0033] 图3是本发明的多斜率顶面圆锥发射探头的电结构示意图。
[0034] 图4是本发明的接收捆绑探头阵列的声结构示意图。
[0035] 图5是本发明的接收捆绑探头阵列的电结构示意图。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于 此。
[0037] 如图1所示，是本实施例所述基于声电联合结构的扩展仿生探头示意图，扩展仿生 探头包括多斜率顶面圆锥发射探头1、接收捆绑探头阵列2和套接头3;多斜率顶面圆锥发射 探头1实现宽带聚能发射;接收捆绑探头阵列2套在套接头3上，实现宽带高灵敏接收;套接 头3把接收捆绑探头阵列套接在多斜率顶面圆锥发射探头的底端。为了示意清楚，图中接收 捆绑探头阵列2并没有套接在套接头3上，只示意为了套接而预留的和套接头同等大小的圆 孔。
[0038] 如图2a所示，是多斜率顶面圆锥发射探头的声结构示意图。整个结构为一个倒圆 锥体结构，类似生物中发出声音的嘴己，包括一个具有多斜率顶面的圆锥体101、若干超声 换能器晶片。运里没有示意超声换能器晶片。具有多斜率顶面的圆锥体101，其顶面1〇2(对 应几何圆锥的底面)不是平坦的，而是具有多斜率的不规则平面组成的，即是每个不规则平 面的斜率都可W不一样。每个不规则平面开设若干个槽来放置相应数量的超声换能器晶 片。圆锥体锥体中间采用透声材料制作或者是里面中空，使用时填充透声液体;圆锥体锥体 和顶面是可W分离的，通过设纹路来旋转套接；圆锥体锥体侧面外面添加一个非透声层 103。圆锥体底部是一个圆环面，外环为非透声层，内环为圆锥底部口 104,与锥体中间是一 体的，由透声材料制作或者是中空。
[0039] 上述多斜率顶面圆锥发射探头由安置在圆锥多顶面上的若干个超声换能器晶片 共同发射宽频超声波到圆锥底部口 104;若干个超声换能器晶片分布在圆锥顶面的每个不 规则平面上，其间隔、大小、发射中屯、频率都可W不同；超声换能器晶片可W为压电陶瓷晶 片，也可W是其他类型的压电晶片，支持发送大功率的窄带变频信号。具有多斜率顶面的圆 锥体，根据顶面设置的开槽个数来安置相应数量的超声换能器晶片，安置好之后再旋转套 接在圆锥体上，使之成为整体。多斜率顶面圆锥发射探头高度由圆锥体顶面积，顶面每个不 规则平面的斜度，圆锥底部口 口径大小共同决定，决定的原则是:超声换能器晶片发出的超 声波直射到圆锥底部口尽可能多，使得能量尽可能大地汇聚。多斜率顶面圆锥发射探头，为 防止超声波向后发射，其顶面后面加上非透声材料制作的背衬105。
[0040] 如图化所示，是多斜率顶面圆锥发射探头的顶面示意图，顶面102的每个不规则平 面的开槽106都面向圆锥底部口，使得安置在上面的超声换能器晶片发射的超声波都尽可 能多地直射到圆锥底部口，衰减最少，好似吹口哨的嘴己，使得发出的声音尽可能大。若圆 锥多顶面上的超声换能器晶片发射的超声波绝大多数都入射到圆锥体的侧面，再经过反 射，入射到圆锥底部口的超声波经过路径变长，且经过反射，衰减必然会大于直达到圆锥底 部口的超声波。多斜率顶面圆锥发射探头的圆锥侧面外面由于添加了非透声层103,使得即 使超声波入射到圆锥侧面也大部分能够反射回来。
[0041] 如图3所示，是多斜率顶面圆锥发射探头的电结构示意图，多斜率顶面圆锥发射探 头由安置在圆锥多顶面上的若干个超声换能器晶片共同发射宽频超声波，包括数模(DA)转 换器、分频器和若干个功率放大器(窄带功放）。连续宽频发送信号通过数模(DA)转换后，经 过分频器后先进行频带分割，再由对应的进行功率放大，再发送给对应的超声换能器晶片。 运样在圆锥底部口汇聚的超声波是一个宽频的超声波。
[0042] 如图4所示，是接收捆绑探头阵列的声结构示意图。接收捆绑探头阵列的声结构由 若干接收探头捆绑组组成，好似生物体中的耳朵，运里示意由6个"耳朵"（接收探头捆绑组） 组成;每个接收探头捆绑组由3个不同中屯、频率的超声换能器（图中用不同的阴影表示)组 成，使之能接收不同频段的超声波，为宽频接收，不同中屯、频率的超声换能器的大小可W不 同，运里设置成为大小一致;若干个接收探头捆绑组对称分布;若干接收探头捆绑组排列而 成的阵列放置在一电路板上，其形状随探测场景的不同，可W设置成为不同的形状，如圆 形，方形等，接收不同方向的超声回波，运里设置为圆形。该电路板中间开孔，使其能通过套 接头套接在多斜率顶面圆锥发射探头的底端。
[0043] 如图5所示，是接收捆绑探头阵列的电结构示意图。一种基于声电联合结构的扩展 仿生探头的优化方案，接收捆绑探头阵列的电结构特点为:每个接收探头捆绑组的超声换 能器都有一个前置放大电路紧贴，使之接收的超声信号能够立即放大。每路放大后再经过 单路模数(AD)转换后被采集为多路接收信号。
【主权项】
1. 一种基于声电联合结构的扩展仿生探头，其特征在于包括多斜率顶面圆锥发射探 头、接收捆绑探头阵列和套接头;多斜率顶面圆锥发射探头实现宽带聚能发射;接收捆绑探 头阵列实现宽带接收；套接头把接收捆绑探头阵列套接在多斜率顶面圆锥发射探头的底 端。2. 根据权利要求1所述的一种基于声电联合结构的扩展仿生探头，其特征在于多斜率 顶面圆锥发射探头的声结构为:整个结构为一个倒圆锥体结构，包括一个具有多斜率顶面 的圆锥体和位于所述多斜率顶面的若干超声换能器晶片。3. 根据权利要求2所述的一种基于声电联合结构的扩展仿生探头，其特征在于所述具 有多斜率顶面的圆锥体，其顶面即对应几何圆锥体的底面不是平坦的，而是具有多斜率的 不规则平面组成的，即是每个不规则平面的斜率都能不一样;每个不规则平面开设若干个 开槽用于放置相应数量的超声换能器晶片；圆锥体锥体中间采用透声材料制作，或者是中 空结构且使用时填充透声液体。4. 根据权利要求3所述的一种基于声电联合结构的扩展仿生探头，其特征在于圆锥体 锥体和顶面是可分离的，通过设纹路来旋转套接;圆锥体锥体侧面外壁设有非透声层;使用 时，多斜率顶面的圆锥体，根据顶面设置的开槽个数来安置相应数量的超声换能器晶片，安 置好之后再旋转套接在锥体上，使之成为整体;所述具有多斜率顶面的圆锥体的底部即对 应几何圆锥的顶点部位是一个开口，开口边缘为圆环面，外环为非透声层，内环为圆锥体底 部口，圆锥体底部口与锥体中间是一体的，由透声材料制作或者中空。5. 根据权利要求2所述的一种基于声电联合结构的扩展仿生探头，其特征在于所述若 干个超声换能器晶片放置在圆锥顶面的每个不规则平面上的开槽内，所述若干个超声换能 器晶片的大小、发射中心频率、相互之间的间隔能不同；超声换能器晶片压电晶片支持发送 窄带变频信号。6. 根据权利要求2所述的一种基于声电联合结构的扩展仿生探头，其特征在于所述多 斜率顶面圆锥发射探头由安置在圆锥多顶面上的若干个超声换能器晶片共同发射宽频超 声波到圆锥底部口；顶面的每个不规则平面的开槽都面向圆锥底部口，使得安置在上面的 超声换能器晶片发射的超声波都尽可能多地直射到圆锥底部口，使衰减最少。7. 根据权利要求2所述的一种基于声电联合结构的扩展仿生探头，其特征在于所述多 斜率顶面圆锥发射探头高度由圆锥体顶面面积，顶面每个不规则平面的斜度，圆锥底部口 口径大小共同决定，决定的原则是:超声换能器晶片发出的超声波直射到圆锥底部口尽可 能多，使得能量尽可能大地汇聚;为防止超声波向后发射，多斜率顶面圆锥发射探头顶面后 面加上非透声材料制作的背衬。8. 根据权利要求1所述的一种基于声电联合结构的扩展仿生探头，其特征在于多斜率 顶面圆锥发射探头的电结构为:包括数模(DA)转换器、分频器和若干个功率放大器;功率放 大器对应一个超声换能器晶片，连续宽频发送信号经过数模(DA)转换后，通过分频器后先 进行频带分割，再由对应的功率放大器进行功率放大，再发送给对应的超声换能器晶片；多 斜率顶面圆锥发射探头由安置在圆锥多斜率顶面上的若干个超声换能器晶片共同发射宽 频超声波。9. 根据权利要求1所述的一种基于声电联合结构的扩展仿生探头，其特征在于接收捆 绑探头阵列的声结构为：由若干接收探头捆绑组组成;接收探头捆绑组由不同中心频率的 超声换能器组成，使之能接收不同频段的超声波，不同中心频率的超声换能器的大小能不 同；若干个接收探头捆绑组对称分布;若干接收探头捆绑组排列而成的阵列放置在一电路 板上，接收不同方向的超声回波，所述电路板中间开孔供套接头通过并套接在多斜率顶面 圆锥发射探头的底端。10.根据权利要求1所述的一种基于声电联合结构的扩展仿生探头，其特征在于，其特 征在于接收捆绑探头阵列的电结构为:每个接收探头捆绑组的超声换能器都接有一个前置 放大电路，使之接收的超声信号能够立即放大;每路放大后再经过对应的单路模数(AD)转 换后被采集为多路接收信号。
【文档编号】G01S7/534GK106019261SQ201610291813
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月3日
【发明人】韦岗, 曹燕, 杨萃, 赵明剑, 徐振龙
【申请人】华南理工大学