超声换能器的制作方法

本实用新型涉及超声技术领域，特别涉及一种超声换能器。

背景技术：

超声波聚焦后可以获得一个能量高度集中的区域，该区域称为焦域。利用这一特性，中国已率先将该技术开发为高强度聚焦超声肿瘤治疗设备，并运用于临床开展肝肿瘤、肾肿瘤、骨肿瘤、子宫肌瘤等良恶性肿瘤的治疗，在治疗安全性、有效性、经济性方面取得良好的效果，逐步形成一个新的微无创治疗技术方向。

现有的超声波聚焦方式，例如，球壳式聚焦、透镜聚焦、反射镜聚焦、相控聚焦等均属于行波聚焦方式。行波聚焦方式达到的最高声压为10⁷Pa量级(连续波)，最小焦域尺寸为波长量级，因此焦点能量很难进一步提高。

但是，现有技术中，还没有一种能够进一步提高焦域声压的超声换能器。

技术实现要素：

本实用新型提供一种超声换能器，用于进一步提高焦域的声压。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种超声换能器，包括：外壳、换能器壳体和至少一个用于发射超声波的超声发射单元，所述换能器壳体和所述超声发射单元位于所述外壳的内部，所述超声发射单元位于所述换能器壳体上；

所述换能器壳体的内表面为超声发射面且具有反射超声波的功能，所述换能器壳体的内表面形成共振腔；

所述换能器壳体的内表面发出的超声波与所述换能器壳体的内表面对超声波反射而形成的反射波聚焦于所述超声发射单元的焦域。

可选地，所述换能器壳体具备匹配层的功能。

可选地，所述换能器壳体的形状为球壳形或者包括球心在内的截球壳形，所述超声发射单元的焦域为所述换能器壳体的球心位置。

可选地，所述超声发射单元位于所述换能器壳体的外表面上。

可选地，所述换能器壳体的内表面为镜面。

可选地，所述换能器壳体的材料为铝合金或者钛铝合金。

可选地，所述超声发射单元的数量为多个，所述超声发射单元为压电阵元。

可选地，还包括：第一背衬和第二背衬；

所述第一背衬位于所述超声发射单元上，所述第二背衬填充于所述外壳和所述第一背衬之间。

可选地，所述第一背衬的材料包括钨粉和环氧材料的混合物；

所述第二背衬的材料包括环氧材料或者油。

可选地，所述超声发射单元的工作频率为400kHz至1200kHz。

可选地，所述超声换能器耐受的静水压大于或等于10MPa。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供的超声换能器的技术方案中，超声换能器包括壳体、换能器壳体和至少一个超声发射单元，换能器壳体和超声发射单元位于外壳的内部，超声发射单元位于换能器壳体上，本实用新型提供的超声换能器实现了共振聚焦且能够耐高静水压力，从而进一步提高了焦域的声压。

附图说明

图1为本实用新型实施例一提供的一种超声换能器的结构示意图；

图2为换能器壳体的声波传播示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型提供的超声换能器进行详细描述。

图1为本实用新型实施例一提供的一种超声换能器的结构示意图，如图1所示，该超声换能器包括：外壳1、换能器壳体2和至少一个用于发射超声波的超声发射单元3，换能器壳体2和超声发射单元3位于外壳1的内部，超声发射单元3位于换能器壳体2上。

换能器壳体2的内表面为超声发射面且具有反射超声波的功能，所述换能器壳体2的内表面形成共振腔。换能器壳体2的内表面发出的超声波与换能器壳体2的内表面对超声波反射而形成的反射波聚焦于超声发射单元3的焦域。优选地，超声发射单元3位于换能器壳体2的外表面上。超声发射单元3发射的超声波穿透换能器壳体2，并通过换能器壳体2的内表面传播至焦域，经过焦域后继续传播至换能器壳体2的内表面上，在换能器壳体2内表面上形成反射波。

换能器壳体2具备匹配层的功能。匹配层是超声换能器的重要组成部分，匹配层的作用在于匹配超声发射单元和超声换能器的介质(例如水)之间的声阻抗差异,能实现声阻抗匹配或过渡，使超声发射单元与介质水之间的声能透过率大幅度提高，与此同时可以展宽超声换能器的带宽，使换能器的声波能量利用率得到提高,性能得到改善。对于一个给定的频率，匹配层的厚度原则上为1/4λ，但会根据超声换能器的实验数据进行厚度修正，方法是先按超声换能器的带宽和电声转换效率进行仿真设计，再根据实验结果确定出匹配层的厚度，该确定出的匹配层的厚度确定为换能器壳体2的厚度。

优选地，换能器壳体2的形状为球壳形或者包括球心在内的截球壳形，超声发射单元3的焦域为换能器壳体2的球心位置。本实施例中，换能器壳体2的形状为包括球心在内的截球壳形，具体地，换能器壳体2的形状为球台形，例如，换能器壳体2的形状为鼓形。在实际应用中，换能器外壳2的形状还可以为其它形状，此处不再一一列举。

换能器壳体2是超声换能器的核心部分。图2为换能器壳体的声波传播示意图，如图2所示，超声发射单元3发射的超声波穿透换能器壳体2，通过换能器壳体2的内表面传播至球心位置O，经过球心位置O后继续传播至换能器壳体2的内表面上，再经换能器壳体2的内表面的反射形成反射波。当换能器壳体2满足共振条件时，即换能器壳体2的内表面形成共振腔时，球心位置O处直接聚焦的超声波和反射波的相位相同，因此可以在球心位置O处形成声波叠加，使得共振腔内形成强度很高的稳定声场分布，使得球心位置O处达到高声压，从而提高了焦域的声压。

由于换能器壳体2的内表面作为超声发射面，因此换能器壳体2需要尽可能的透射超声发射单元3发出的超声波。本实施例中，超声换能器需要设置透射率，透射率的公式为：τ＝4Z1Z2/(Z2+Z1)²，其中，τ为透射率，Z1为超声发射单元3的阻抗，Z2为换能器壳体2的阻抗。可通过上述公式选择换能器壳体2的材料，以使得超声换能器获得较大的透射率。优选地，换能器壳体2的材料为铝合金，由上述公式可以得出换能器壳体2的透射率大于90％，从而满足了超声换能器对于透射率的需求。在实际应用中，可选地，换能器壳体2的材料还可以为钛铝合金。

换能器壳体2的内表面还作为反射面。换能器壳体2内表面对超声波进行反射形成反射波，换能器壳体2满足共振条件时，换能器壳体2将到达内表面的超声波尽可能的反射回球心位置O，使能量在球心位置O处叠加，以提高球心位置O处的声压。为使得换能器壳体2将到达内表面的超声波尽可能的反射回球心位置O，可将换能器壳体2的内表面加工成镜面或者准镜面，优选地，换能器壳体2的内表面为镜面，从而使得超声波在换能器壳体2的内表面上发生强反射形成反射波，当发生共振时在球心位置O处超声波和反射波叠加，达到提高球心位置O处声压的目的。

超声发射单元3位于换能器壳体2的外表面上，具体地，可在换能器壳体2的外表面粘贴多个超声发射单元3。此时，换能器壳体2为超声发射单元3的支撑壳体。优选地，超声发射单元3的数量为多个，超声发射单元3为压电阵元，例如，压电阵元的材料为压电陶瓷或1-3型压电复合材料。多个超声发射单元3采用阵元组合式结构。本实施例中，可根据换能器壳体2的形状和聚焦要求设计压电阵元的参数，可通过数值模拟的方法研究压电阵元的数量和排列方式对聚焦性能和声压的影响，研究表明结果焦域(球心位置O)处的声压大小与压电阵元的个数成正比关系。多个压电阵元依次排列于换能器壳体2的外表面上，优选地，多个压电阵元以等间距密排的方式排列于换能器壳体2的外表面上，有利于对超声波的旁瓣的抑制。另外，压电阵元的振动模态采用厚度振动模态，以提高其电声转换效率。

进一步地，该超声换能器还包括：第一背衬4。第一背衬4位于超声发射单元3上。具体地，第一背衬4位于超声发射单元3的靠近外壳1一侧的表面。优选地，第一背衬4的材料为钨粉和环氧材料的混合物。在制造过程中，可设定钨粉和环氧材料的比例并按设定的比例形成混合物，将按设定比例形成的钨粉和环氧材料的混合物制作成型块状，将制作成型块状的混合物研磨成与超声发射单元3相匹配的形状，并将混合物粘贴于超声发射单元3的靠近外壳1一侧的表面，以实现将第一背衬4粘贴于超声发射单元3的靠近外壳1一侧的表面。

进一步地，该超声换能器还包括：第二背衬5。第二背衬5填充于外壳1和第一背衬4之间。优选地，第二背衬5的材料为环氧材料。本实施例中，可利用环氧材料具有良好的流动性和收缩率很小的特点，将环氧材料填充于外壳1和第一背衬4之间，使得超声换能器形成刚性结构，提高了超声换能器的耐压性能。优选地，第二背衬5的厚度范围为2mm至10mm。

在实际应用中，可选地，第二背衬5的材料还可以为油，例如，蓖麻油。此时，第一背衬4与外壳1之间的间距可设置的较小，例如间距为2mm。此种情况下，在超声换能器安装之前，可先将第一背衬4和超声发射单元3之间的缝隙采用高分子材料进行填充。

本实施例中，采用第一背衬4和第二背衬5的双层背衬结构。在双层背衬结构中，第一背衬4的钨粉和环氧材料的混合物具备高声阻特性，该高声阻特性可提高超声换能器的声学衰减性能，使超声发射单元3发射的超声波中的大部分超声波通过换能器壳体2的内表面发射到焦域(球心位置O)，从而提高了超声换能器的性能；双层背衬结构中，第二背衬5可利用环氧的流动性以填充到每个缝隙，使超声换能器形成良好的刚性结构，并且具有很好的工艺实施性。本实施例采用双层背衬结构，提高了整个超声换能器的耐压性能。

进一步地，该超声换能器还包括：上端盖6和下端盖7。上端盖6位于换能器壳体2的上方，且上端盖6安装于换能器壳体2上；下端盖7位于换能器壳体2的下方，且下端盖7安装于换能器壳体2上。

进一步地，该超声换能器还包括：第一密封结构8。第一密封结构8用于对上端盖6进行密封。优选地，第一密封结构8为密封圈，例如：O型密封圈。

进一步地，该超声换能器还包括：第二密封结构9。第二密封结构9用于对下端盖7进行密封。优选地，第二密封结构9为密封圈，例如：O型密封圈。

本实施例中，超声换能器采用双O型密封圈对上端盖和下端盖进行密封，从而达到了良好的密封效果。

进一步地，该超声换能器包括：连接座10和电源航插接头11。优选地，连接座10为抗压连接座，电源航插接头11为抗压电源航插接头。连接座10和电源航插接头11均采用水密接头和一体化硫化电缆方式，密封方式采用密封圈密封及橡胶硫化密封工艺。对连接座10和电源航插接头11的安装面采取双重密封，同时每个电连接每芯采取四重密封圈密封。每套连接座10和电源航插接头11制作完成后对每个连接座10和电源航插接头11的尾部采用橡胶全密封的硫化工艺，确保能够耐受的静水压≥10MPa。在安装连接座10和电源航插接头11时涂抹专用耐压密封脂确保密封及耐压指标。同时连接座10和电源航插接头11的连接电缆为满足耐压要求的特别定制电缆，每套电缆在制作完成后均采取严格的耐压试验及相关的技术指标检测。

本实施例中，换能器壳体2的宽度为200mm至1000mm。例如，当换能器壳体2的形状为球壳形或者包括球心在内的截球壳形时，换能器壳体2的直径为200mm至1000mm。

本实施例中，超声发射单元3的工作频率为400KHz至1200kHz。

本实施例中，超声换能器耐受的静水压大于或等于10MPa。该超声换能器具备耐高静水压的特点，从而达到了抑制介质空化，提高空化阈值的目的。本实施例中的超声换能器能够在深水、加压或者常压的环境下使用。

本实施例中，焦域的声压大于或者等于10⁹Pa。

本实施例提供的超声换能器的技术方案中，超声换能器包括壳体、换能器壳体和至少一个超声发射单元，换能器壳体和超声发射单元位于外壳的内部，超声发射单元位于换能器壳体上，本实施例提供的超声换能器实现了共振聚焦且能够耐高静水压力，从而进一步提高了焦域的声压。本实用新型的换能器壳体的内表面既是超声发射面又是声波的反射面，且换能器壳体为匹配层，通过超声换能器频率跟踪与补偿，相位控制，超声波发射与反射实现了声波共振聚焦，能实现稳定的球形驻波聚焦声场和亚波长精细焦域，使得超声换能器可获得10⁹Pa的高声压，从而为科学研究提供新的研究平台。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。