[发明专利]透镜式多频聚焦超声换能器、换能系统及其声焦域轴向长度的确定方法

权利要求书

1.一种透镜式多频聚焦超声换能器，其特征在于，包括：

压电片，所述压电片包括压电凹面和压电平面，所述压电凹面为球面结构，所述压电片具有多个厚度不同的谐振单元；

声透镜，所述声透镜包括透镜凹面和透镜平面，所述透镜凹面为球面结构，所述透镜平面和所述压电平面贴合。

2.根据权利要求1所述的透镜式多频聚焦超声换能器，其特征在于：所述压电片的中心厚度为t₁，所述压电片的边缘厚度为H，其中H-t₁小于λ为压电片的最高频率的波长。

3.根据权利要求1或2所述的透镜式多频聚焦超声换能器，其特征在于：所述压电片的压电平面的直径为d，所述透镜凹面的半径在之间。

4.根据权利要求3所述的透镜式多频聚焦超声换能器，其特征在于：所述压电片的中心厚度0.2mm＜t₁＜5mm，所述压电片的边缘厚度0.2mm＜H＜5mm，且t₁H。

5.根据权利要求1所述的透镜式多频聚焦超声换能器，其特征在于：所述压电片由1-3型压电复合材料制成。

6.一种换能系统，其特征在于：包括权利要求1-5任一所述的透镜式多频聚焦超声换能器；

还包脉冲源，所述脉冲源用于激励所述压电片，所述脉冲源为多频脉冲源。

7.根据权利要求6所述的换能系统，其特征在于：所述脉冲源为矩形脉冲。

8.根据权利要求7所述的换能系统，其特征在于：所述矩形脉冲包含的频率为0.5-2MHz。

9.一种权利要求6-8任一所述的换能系统的声焦域轴向长度的确定方法，其特征在于,包括如下步骤:

根据瑞利积分原理将透镜式多频聚焦超声换能器辐射面分成若干个微元dS，每个微元都可以视为辐射相应频率的球面波源，而空间声场中A点处产生的声压是由所有微元在该点处产生的声压叠加后的结果；

根据压电片的厚度确定压电片的频率f(R)：

其中：h(R)为压电片厚度，c为弹性刚度常数，e为压电应力常数，ε为介电常数，ρ为压电复合材料密度，E为恒定电场,S为恒定应变，dS为积分微元，R为坐标原点至积分微元dS中心的距离；

空间声场中A点处声压的表达式如下：

式中，f(R)为频率，ρ₀为传播媒质的密度，u为透镜式多频聚焦超声换能器辐射面上法向振速分布，ω(R)＝2πf(R)为角频率，t为时间，k(R)＝2πf(R)/c₁为波数，c₁为媒质中的声速，α为声透镜材料的吸收系数，其中，c₂为声透镜材料的声速，R₂为声透镜的曲率半径；

其中，微元dS到A点的距离l的表达形式如下：

式中，l₀为坐标原点到A点处的距离，θ为l₀与Z轴的夹角，为过场点A(x,y,z)且垂直相交OZ轴的直线与平面YOZ之间的夹角，β₂为过积分面元dS且垂直相交OZ轴的直线与平面YOZ之间的夹角；

联立式(1)，(2)，(3)求得P(l,θ,t)；

透镜式多频聚焦超声换能器的稳态声压以一段时间内的有效声压值P_e表示：

式中，T表示一段时间，f(R)_max为最大频率即压电片的中心厚度为t₁处对应的频率，f(R)_min为最小频率即所述压电片的边缘厚度为H处对应的频率；

根据式(4)计算出透镜式多频聚焦超声换能器的声焦域轴向长度。