[发明专利]一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器

权利要求书

1.一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，其特征在于：包括外壳、绝声层、背衬材料层、低频带超声压电阵元、高频带超声压电阵元、信号线及非球面声学匹配层；所述低频带超声压电阵元与所述高频带超声压电阵元采用一维堆栈排列结构，且所述低频带超声压电阵元设置于所述高频带超声压电阵元的上部；所述非球面声学匹配层的曲面结构由等声程原理和波前函数反推出来，且所述非球面声学匹配层设置于所述低频带超声压电阵元与所述高频带超声压电阵元之间，以实现超声换能器的声场景深扩展；所述外壳、绝声层、背衬材料层、低频带超声压电阵元、高频带超声压电阵元、非球面声学匹配层以同轴方式设置。

2.根据权利要求1所述的一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，其特征在于，所述一维堆栈排列结构是指所述高频带超声压电阵元和所述低频带超声压电阵元同轴纵向排列；所述高频带超声压电阵元作为所述低频带超声压电阵元的第二匹配层；所述非球面声学匹配层作为所述低频带超声压电阵元的第一匹配层。

3.根据权利要求1所述的一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，其特征在于，所述非球面声学匹配层配置为可获得具有均匀双频带长焦深特性的声束，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。

4.根据权利要求1所述的一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，其特征在于，所述一维堆栈排列结构要求所述高频带超声压电阵元和低频带超声压电阵元的长度至少是其中心频率处声波长的30倍，宽厚比小于0.7，可防止横向模激励。

5.根据权利要求1所述的一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，其特征在于，所述低频带超声压电阵元、非球面声学匹配层及高频带超声压电阵元的声学阻抗应满足四分之二波层关系：

其中，Z_p、Z_m、Z_b分别为压电阵元材料、匹配层材料和背衬材料的声阻抗，Z_layer1、Z_layer2、Z_in分别所述第一匹配层的输入阻抗、所述第二匹配层的输入阻抗以及所述第一匹配层和第二匹配层总输入阻抗。

6.根据权利要求1所述的一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，其特征在于，所述高频带超声压电阵元为揉性超声压电阵元，设置于所述非球面声学匹配层下端，且其声阻抗与生物组织的声阻抗接近。

7.根据权利要求1所述的一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，其特征在于，所述低频带超声压电阵元与所述高频带超声压电阵元分别设置有独立的信号线及外部接头；所述双频长焦深超声换能器是双阵元超声换能器。

8.根据权利要求1所述的一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，其特征在于，所述非球面声学匹配层的曲面结构由等声程原理和波前函数反推出来，所述等声程原理用于确定声波波前函数上任一位置点与所述非球面声学匹配层的曲面结构上对应之间的关系方程组，具体包括：

所述等声程原理用于确定所述波前函数上任一位置点与所述非球面声学匹配层的曲面上对应点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。

9.根据权利要求1所述的一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，其特征在于，所述聚焦声斑总尺寸受发射声束参数影响，取决于所述非球面声学匹配层曲面结构的聚焦声斑；所述声场焦深长度是以聚焦声束中心高功率密度分布区域尺寸变化来衡量；所述双频超声压电阵元的声轴与非球面声学匹配层中心同轴；所述超声换能器的焦距取决于非球面声学匹配层的曲面对应焦距。