[发明专利]一种碳纳米管薄膜换能器阵列

说明书

本发明提供一种碳纳米管薄膜换能器阵列，属于超声波疗领域。该换能器阵列包括换能器阵列框架和发声元件，发声元件包括碳纳米管薄膜、金属电极和导线，各发声元件处于同一平面或曲面上，发声元件的排列规律、尺寸大小和相邻发声元件之间的中心间距可以根据功能需求做出调整。当发声元件接入音频信号时，碳纳米管薄膜产生相应的温度变化，使周围介质发生膨胀和收缩并激发出声波，各发声元件发出的声波在空间中相互叠加、干涉，从而产生能量高度集中的声波。本发明中换能器阵列具有无振动部件、排列灵活、形状可随意变动以及生产成本低等优点；且可以产生高频、高指向性、高灵敏度的声波，应用于超声医疗、先进雷达等领域。

技术领域

本发明属于超声波疗领域，涉及一种基于碳纳米管薄膜热声效应的超声换能器阵列。

背景技术

随着我国社会主义建设进程的不断加快，人民的生活水平日益提高，人们对于个人健康问题愈加重视，因此对于医疗设备质量和数量的要求不断提高。在各种医疗设备中，超声医疗设备由于具有造成的创伤小、价格低廉、能够实时成像等特点而成为了一类重要的诊疗设备。目前，超声医疗设备被广泛应用于成像、诊察、组织切割和消除、杀菌消毒等诊疗环节，比如人们常用的B超设备、超声手术刀、肿瘤聚焦超声治疗系统等。超声换能器阵列是超声医疗设备的主要部件，其特点是能够产生能量高度集中的超声波波束；而超声波波束的声压强度、指向性以及灵敏度直接关系到诊疗的结果，因此设计一种高声压、高指向性、高灵敏度、成本低廉的超声换能器阵列，对当前的超声医疗设备的应用具有重要意义。

现有的超声换能器阵列的发声元件主要由压电材料制成，其工作原理是基于压电效应，即压电材料受外电场作用时会产生变形。当音频信号通过压电体时，压电体发生变形带动周围介质振动，从而发出声音。由压电材料制作成的超声换能器阵列主要有4个缺点：(1)压电材料的阻抗随着材料面积的减小而增大，导致换能器阵列的灵敏度降低，产生的声音声压降低；(2)由于压电材料在发声过程自身会振动，会引起共振效应，且会导致元件之间的信号串扰，进而导致音频信号的传输错误或丢失；(3)为了放置更多的发声元件以增强声压和指向性，且避免产生栅瓣，有限空间中的超声换能器阵列的发声元件通常要小于2毫米，导致压电换能器阵列制造起来非常困难，极大地增加了制造成本；(4)目前被广泛应用的压电材料(比如压电陶瓷)含有大量的污染环境的重金属离子，处理不当很容易会破坏生态环境。

近年来，碳纳米管薄膜由于其显著的热声效应引起了人们的广泛关注。当碳纳米管薄膜被接入音频信号时，能发出相应频率的声音。碳纳米管薄膜的比热容极低，通电产生的热能迅速释放到周围介质，引起介质的振动，产生的声场声压高、灵敏度高；且薄膜发声过程中自身不振动，避免了共振效应；碳纳米管薄膜可以从商业化生产中获得，且轻便、可延展、剪裁方便，可以制作成任意的大小以及形状，对应的换能器阵列的制作成本低。此外，碳纳米管薄膜不含任何对环境有害的重金属离子，无环境污染性。

发明内容

为解决背景技术中提到的问题，本发明提出一种基于碳纳米管薄膜热声效应的换能器阵列，碳纳米管薄膜能够基于热声效应发射出声波，即当电信号接入换能器阵列时，碳纳米管薄膜的温度发生相应的变化，使得碳纳米管薄膜周围的介质发生膨胀和收缩，进而发出声音，各个碳纳米管薄膜发出的声音相互叠加、干涉，形成具有高指向性、高声压、高信噪比的声场。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种碳纳米管薄膜换能器阵列，包括换能器阵列框架6和发声元件。

所述的换能器阵列框架6内设有多个横梁，用于安装固定发声元件。