[发明专利]一种多功能便携式声学器件

说明书

本发明公开一种多功能便携式声学器件，属于声场调控应用领域。包括：振动源、声学匹配层、声绝缘层、第一掩膜版、第二掩膜版和第三掩膜版，第一掩膜版、第二掩膜版和第三掩膜版半径相同，厚度相同；声学匹配层为圆柱状，一端设有振动源，另一端用于与掩膜版紧密贴合；声绝缘层覆盖于振动源、声学匹配层和掩膜版的表面；振动源，用于发射出单一的、特定的波长的超声波；声学匹配层，用于将振动能量从振动源耦合至掩膜版；所述声绝缘层，用于防止振动能量向四周扩散。本发明通过微尺度加工掩膜版图案结构并对其纳米颗粒表面修饰处理，使其满足阻抗失配的边界条件，进一步对超声波透射声场进行调制，实现多种模式声场激励条件。

技术领域

本发明属于声场调控应用领域，更具体地，涉及一种多功能便携式声学器件。

背景技术

超声为无创伤医疗器械的发展奠定了基础，广泛地应用于临床医疗、卫生领域。超声波为振动频率高于20000赫兹的声波，由于其指向性较好，组织穿透能力强，易于获得高能量的局域声能，被广大科学研究者应用于超声清洗、空化灭菌、无损探测等众多领域。具体地，人们利用高强度聚焦超声(HIFU)换能器在对周围正常组织不造成损伤的前提下杀死靶区内肿瘤细胞，实现对肿瘤组织的无损伤治疗。在临床医学上，获取高度局域的声场能量是至关重要的。

医疗超声波是一种基于压电效应产生的振动在水、组织中传播的一种波，由于其对人体无害，并且可以实现无标记的治疗，在医学超声成像和超声治疗领域得到了广泛地应用。但由于其固有的声传播模式，其应用环境严重受限。针对复杂的人体组织环境，仅使用单一的声场构成方式并不可靠。Peng-Qi Li等人提出一个超薄超表面的原型，使用生物启发的meta-skin模式，可以通过振幅调制高效地生成多种超声束。具体地，通过在基底上构建稳定的水/空气界面，使得结构单元具有超疏水特性，并与水、组织形成巨大的声阻抗失配，导致修饰部分的声能量传输透过率趋近于0.0001。进一步地，可擦除meta-skin可以根据实验需求灵活地加工成不同的图案。

然而，现有传统技术大多在实验阶段，通过在水介质环境传播超声波，实现精准、无标记地刺激。由于其各组件间的空间相对位置不明确，其掩膜版装置空间自由度严重受限，无法满足其便携式的使用场景。由于目标生物体需要在诸如培养皿实验环境下进行刺激，超声能量遇到弹性固体时将会散射。此外，由于其掩膜版结构并非镂空，超声波对于传播路径上的障碍物衍射效应十分明显，导致超声波能量严重衰减，从而不能提高其能量转化效率。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种多功能便携式声学器件，其目的在于依据阻抗匹配边界条件，本发明通过规范中间匹配层材料属性并集成一体化，便携式地实现了各种功能性超声场。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多功能便携式声学器件，所述声学器件包括：振动源、声学匹配层、声绝缘层、第一掩膜版、第二掩膜版和第三掩膜版，所述第一掩膜版、第二掩膜版和第三掩膜版半径相同，厚度相同；

所述声学匹配层为圆柱状，一端设有振动源，另一端用于与掩膜版紧密贴合；

所述声绝缘层覆盖于振动源、声学匹配层和掩膜版的表面；

所述振动源，用于发射出单一的、特定的波长的超声波；

所述声学匹配层，用于将振动能量从振动源耦合至掩膜版；

所述声绝缘层，用于防止振动能量向四周扩散；

所述第一掩膜版，用于调制声场，形成聚焦声场；

所述第二掩膜版，用于调制声场，形成涡旋声场；

所述第三掩膜版，用于调制声场，形成泰伯声场。

优选地，所述振动源的发射出的超声波波长和所述第一掩膜版之间满足以下关系：