[发明专利]一种非球面聚焦的深景超声探测器及方法

权利要求书

1.一种长焦深非球面声场聚焦曲面结构的确定方法，其特征在于，所述方法包括：

获取声波截面声强分布和声能量守恒方程；

根据所述声波截面声强分布和声能量守恒方程确定声场焦深区域轴向距离与超声压电阵元直径的对应关系；

根据所述声场焦深区域轴向距离与超声压电阵元直径的对应关系确定声波波前函数；

根据等声程原理，利用所述声波波前函数反推出长焦深非球面声场聚焦曲面结构。

2.根据权利要求1所述的一种长焦深非球面声场聚焦曲面结构的确定方法，其特征在于，所述获取声波截面声强分布和声能量守恒方程；根据所述声波截面声强分布和声能量守恒方程确定声场焦深区域轴向距离与超声压电阵元直径的对应关系，具体包括：

在不考虑声波衰减的理想情况下，根据超声压电阵元发射的声波截面声强分布、设定的焦距和焦深长度等参数，然后通过声波截面声强分布和声强能量守恒方程，获取声学焦深区域轴向距离与超声压电阵元半径即发射声束半径的对应关系z(r)：

其中r表示超声压电阵元半径；I_σ(r)表示声束截面声强分布；f₁为焦深长度的上限；I_z(z)表示经长焦深非球面声学透镜聚焦后所需的焦深区域的轴向声强分布；z表示焦深区域的轴向距离。

3.根据权利要求1所述的长焦深非球面声场聚焦曲面结构的确定方法，其特征在于，根据所述声场焦深区域轴向距离与超声压电阵元直径的对应关系确定声波波前函数，包括所述的声学焦深区域轴向距离与超声压电阵元半径即发射声束半径的对应关系z(r)确定声波波前函数，具体包括：

根据所述对应关系z(r)可求解声波波前函数方程

4.根据权利要求1所述的长焦深非球面声场聚焦曲面结构的确定方法，其特征在于，根据所述等声程原理，利用所述声波波前函数反推出长焦深非球面声场聚焦曲面结构，包括根据所述等声程原理确定声波波前函数上任一位置点与所述长焦深非球面声学曲面结构上对应之间的关系方程组，具体包括：

根据所述等声程原理确定上述波前函数上任一位置点与上述长焦深非球面结构曲面上对应点M(r_m,z_m)之间的关系方程组：

其中，为声波波前函数的导数，K为常数。

5.基于权利要求1所述的长焦深非球面声场聚焦曲面结构的确定系统，其特征在于，所述系统包括：

参数与方程获取模块，用于获取声波截面声强分布和声能量守恒方程；

对应关系确定模块，用于根据所述声波截面声强分布和声能量守恒方程确定声场焦深区域轴向距离与超声压电阵元直径的对应关系；

波前函数确定模块，用于根据所述声场焦深区域轴向距离与超声压电阵元直径的对应关系确定声波波前函数；

曲面结构确定模块，用于根据等声程原理，利用所述声波波前函数反推出长焦深非球面声场聚焦曲面结构。

6.一种非球面聚焦的深景超声探测器，其特征在于：包括外壳、绝声层、背衬材料层、超声压电阵元、信号线及长焦深非球面聚焦结构；所述的长焦深非球面聚焦结构的曲面结构根据权利要求1至4中任意一项所述的长焦深非球面声场聚焦曲面结构的确定方法和权利要求5所述的长焦深非球面声场聚焦曲面结构的确定系统确定；所述的长焦深非球面聚焦结构采用非球面声学透镜或者揉性超声压电阵元的非球面结构设计以实现超声换能器的声场景深扩展；所述的外壳、绝声层、背衬材料、匹配层、超声压电阵元与长焦深非球面聚焦结构以同轴方式设置。

7.根据权利要求6所述的一种非球面聚焦的深景超声探测器，其特征在于，所述的长焦深非球面聚焦结构可获得具有均匀长焦深特性的声束，形成中心范围能量分布极高，边缘分布极低聚焦声束段，其高功率密度范围声斑极小，焦深极长，焦深段内声斑峰值功率密度相近，可同时实现小焦斑和长焦深特性。