[发明专利]一种可调柱状均匀近场超声换能器

说明书

本发明提出了一种可调柱状均匀近场超声换能器，属于超声设备技术领域。所述超声换能器包括N个环阵阵元；所述N个环阵阵元沿对称轴向中心向外依次排列；其中，所述N个环阵阵元均采用1‑3型压电陶瓷/树脂组成的压电复合材料制成，形成1‑3压电复合材料换能器。环阵振元的振幅按γ‑幂指数‑零阶贝塞尔函数方式调控，可以消除近场的强度空间分布的极度不均匀性，产生一个较大的柱状均匀声场空间区域。本发明的均匀近场换能器可用于生物、医学、化学等领域，包括利用超声进行催化、分解的相关的实验以及体内、体外超声治疗、理疗和声动力治疗等。

技术领域

本发明涉及一种可调柱状均匀近场超声换能器，属于超声设备技术领域。

背景技术

超声在很多领域，包括生物、医学、化学等领域、有着广泛的应用。超声的声源，特别是高频超声的声源一般是一个压电换能器，其原理是利用压电材料的机电转换功能将交流电信号转换成声波信号。传统的超声换能器是活塞型单向发射的超声换能器,其发射界面一般为一圆形平面。此类换能器发出的声场延轴向可分为三个区域：近场、焦点和远场。焦点的位置为z₀＝d²/4λ,其中d为发射表面的直径，λ是声波在传播媒介中的波长。如图1所示，在换能器发射面和焦点之间的区域被称为近场，一般来讲，越大面积的换能器则近场的区域越大，而声波的场强分布在近场区域极不均匀，存在很多盲点和极值。远场虽然强度均匀性有所改善，但是声场发散的很快，只有在焦点附近的很小空间范围才比较均匀。由于直径越大则焦点越远且增长呈平方关系，实际情况如果需要较大的换能器发射面积时焦点与换能器表面的距离会非常远，利用远场来做实验很不现实，所以一般的生物医学和化学实验用的基本都是近场。但是因为超声效果和超声强度成正比，近场的极度不均匀性导致超声作用下的实验结果不理想，实验结果和所用的换能器大小有关，也和器皿与换能器表面的距离有关。因此，在较大的空间区域产生均匀声场对于很多超声应用都是非常重要的，但却一直没有解决的方法。本发明揭示可以通过调控换能器表面的振幅实现这样的功能，即声源的表面相位相同但是振幅随着与圆心的距离以设定的函数变化，导致近场的强度变得均匀。以前我们提出了几种振幅调解方案有明显的效果，包括利用以下几种函数形式来调节调幅变化：cos(rπ/2R)函数；高斯函数Aexp(r²/a²)；幂指数函数A((r-R)/R)^α，α＜1；线性下降函A(R-r)/R。这些调解方案都能在近场区域获得一块均匀场的区间，但是每种函数的效果不同，所获得的区域有限且空间大小不能调控，这些调控方案都没能完全消除近场效应。更重要的是均匀场区域小，没能够有效地利用换能器的发射面积。

发明内容

本发明对于上述问题提供了一种可调柱状均匀近场超声换能器，本发明的超声换能器能在一个较大的有限三维空间区域产生均匀声场，基本消除了近场的震荡特性。所采取的技术方案如下：

一种可调柱状均匀近场超声换能器，所述换能器包括N个环阵阵元；所述N个环阵阵元沿对称轴向中心向外依次排列；其中，所述N个环阵阵元均采用1-3压电陶瓷/树脂复合材料制成，形成1-3压电复合材料环阵换能器。

所述可调柱状均匀近场超声换能器通过γ-幂指数-零阶贝塞尔函数来调控换能器表面的振幅；其中，所述γ-幂指数-零阶贝塞尔函数为：

其中，R₀是换能器的半径，r是换能器表面上距离圆心的距离，U₁(≈2.4048)是零阶贝塞尔函数J₀(ρ)的第一个零点，γ是一个大于等于1的正数，γ不要求是整数。在下面列举的例子里，为方便起见，γ的取值为整数1、2、3、4和5。

所述1-3压电复合材料换能器的半径可调，本发明的例子为半径25mm；中心频率可调，本发明例子频率为1MH。本发明的要求不限于此，半径和频率可根据要求设计。