專利名稱：聲學(xué)聚焦換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種聲學(xué)聚焦換能器，具體地說，是指一種通過改進(jìn)壓電元件的電極，采用環(huán)形設(shè)計(jì)來(lái)減小焦平面上主瓣半功率點(diǎn)的半徑，并使其景深延長(zhǎng)的聲學(xué)聚焦換能器。
背景技術(shù)：
聲學(xué)聚焦換能器被廣泛地用于聲學(xué)顯微鏡、噴墨打印、材料噴涂、微粒操作等領(lǐng)域。在上述這些領(lǐng)域的應(yīng)用中，聲學(xué)聚焦換能器在其焦平面上主瓣的半徑，特別是主瓣上半功率點(diǎn)(3dB)距離焦平面中心位置的距離，即R3dB決定了上述各種應(yīng)用的分辨率。聚焦聲場(chǎng)中，在聲軸上焦點(diǎn)附近半功率點(diǎn)之間的距離被定義為景深。景深越長(zhǎng)則越有利于提高上述應(yīng)用的穩(wěn)定性和方便性。然而，在傳統(tǒng)的球面聲學(xué)透鏡的設(shè)計(jì)中，為了減小R3dB通常需要減小透鏡的F數(shù)(Fn)或者聲波的波長(zhǎng)(λ)，由于景深的計(jì)算公式為L(zhǎng)＝7.1λFn2，所以這樣做的直接后果就是導(dǎo)致景深縮短。因此，主瓣寬度與景深似乎成為不可兼得的矛盾。為此，長(zhǎng)久以來(lái)人們總是力圖找到減小R3dB提高分辨率并能延長(zhǎng)景深的方法。由于分別率始終是人們最為關(guān)心的指標(biāo)，所以本實(shí)用新型仍然以減小R3dB為首要目標(biāo)。
焦平面上的R3dB的計(jì)算公式為R3dB＝0.51Fnλ＝0.51RC2/[(1-C2/C1)Df]其中，F(xiàn)n是球面透鏡的Fresnel數(shù)，F(xiàn)n＝R/[(1-C2/C1)D]λ是聲波在介質(zhì)液體中的波長(zhǎng)，λ＝C2/fR是球面透鏡的曲率半徑f是聲波的頻率C1是聲波在透鏡材料中的傳播速度C2是聲波在介質(zhì)液體中的傳播速度D是球面透鏡的弧面直徑由于C2/C1是聲波在介質(zhì)液體和透鏡材料中的傳播速度之比，對(duì)于選定的介質(zhì)液體和透鏡材料，它是一個(gè)常值。所以，要想減小R3dB可以通過減小R/D和f/C2來(lái)實(shí)現(xiàn)。R/D體現(xiàn)的是對(duì)超聲透鏡幾何形狀的要求，該值不僅受到實(shí)際幾何條件的約束(R/D≥0.5)，而且還受制于具體應(yīng)用中的其他要求。例如，在超聲聚焦噴射中，為了便于控制介質(zhì)液體的厚度，弧面張角通常小于120°，所以R/D≥0.577。C2/f實(shí)際上表示的是聲波在介質(zhì)液體中的波長(zhǎng)，對(duì)于特定的介質(zhì)液體來(lái)說，要想減小波長(zhǎng)只能提高聲波的頻率，然而隨著聲波頻率的提高，不僅會(huì)增加高頻電路的制作成本，而且還會(huì)導(dǎo)致聲強(qiáng)在介質(zhì)液體中的衰減迅速增強(qiáng)。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是在不提高聲波頻率的條件下，通過改進(jìn)電極結(jié)構(gòu)形式來(lái)實(shí)現(xiàn)減小聲學(xué)聚焦換能器在其焦平面上的R3dB值，并延長(zhǎng)景深的聲學(xué)聚焦換能器。
本實(shí)用新型的聲學(xué)聚焦換能器，由引線、環(huán)形電極、壓電薄膜、圓形電極、聲學(xué)透鏡組成，環(huán)形電極和圓形電極分別鍍?cè)趬弘姳∧さ膬擅?，其中一電極同聲學(xué)透鏡的平面端連接。脈沖調(diào)制的微波信號(hào)通過引線分別施加到環(huán)形電極和圓形電極上，在壓電薄膜中激發(fā)出機(jī)械振動(dòng)，該振動(dòng)通過聲學(xué)透鏡被匯聚到焦點(diǎn)區(qū)域內(nèi)。由于其中一個(gè)電極采用的是環(huán)形設(shè)計(jì)，所以焦平面上的半功率點(diǎn)半徑會(huì)小于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而沿聲軸方向的景深長(zhǎng)度卻會(huì)長(zhǎng)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。
本實(shí)用新型換能器的優(yōu)點(diǎn)是尤其在高頻應(yīng)用中可以降低能量衰減，提高使用方便性。其在焦平面上的主瓣半功率點(diǎn)半徑下降了16.2％，景深延長(zhǎng)了53.0％。


圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是公式中各個(gè)符號(hào)的幾何含義說明。
圖3是本實(shí)用新型與傳統(tǒng)聲學(xué)聚焦換能器的R3dB比較圖。
圖4是本實(shí)用新型與傳統(tǒng)聲學(xué)聚焦換能器的景深比較圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
請(qǐng)參見圖1所示，本實(shí)用新型的聲學(xué)聚焦換能器由引線1，環(huán)形電極2，壓電薄膜3，圓形電極4，聲學(xué)透鏡5組成，環(huán)形電極2和圓形電極4分別鍍?cè)趬弘姳∧?的兩面，圓形電極4同聲學(xué)透鏡5的平面端連接。脈沖調(diào)制的微波信號(hào)通過引線1分別施加到環(huán)形電極2和圓形電極4上，在壓電薄膜3中激發(fā)出機(jī)械振動(dòng)，該振動(dòng)通過聲學(xué)透鏡5被匯聚到焦點(diǎn)區(qū)域內(nèi)。
在本實(shí)用新型的聲學(xué)聚焦換能器中，環(huán)形電極2和圓形電極4的位置可以互換。
當(dāng)選取弧面張角θ＝120°，壓電薄膜3的直徑不小于球面聲學(xué)透鏡5的弧面直徑D，透鏡材料為石英玻璃，介質(zhì)液體為水時(shí)，壓電薄膜3兩面的電極都采用傳統(tǒng)的圓形形狀的電極，R3dB＝0.37λ，L3dB＝2.84λ；當(dāng)采用同聲學(xué)透鏡5的平面端連接的電極為環(huán)形電極2，壓電薄膜3另一面為圓形電極4，假設(shè)內(nèi)徑為d，并且d/D＝0.68時(shí)，R3dB＝0.31λ，L3dB＝4.42λ。與傳統(tǒng)的聲學(xué)聚焦換能器相比，R3dB縮小了16.2％，L3dB增加了53.0％。(如圖3和圖4所示)經(jīng)測(cè)試證明，當(dāng)采用同聲學(xué)透鏡5的平面端連接的電極為圓形電極4，壓電薄膜3另一面為環(huán)形電極2，其R3dB＝0.31λ，L3dB＝4.42λ。與傳統(tǒng)的聲學(xué)聚焦換能器相比，R3dB縮小了16.2％，L3dB增加了53.0％。
圖3顯示的是采用傳統(tǒng)圓形電極(改進(jìn)前)和本實(shí)用新型提出的環(huán)形電極(改進(jìn)后)制作的聲學(xué)聚焦換能器在其焦平面上聲壓的分布曲線。其中透鏡材料選用的是石英玻璃，介質(zhì)液體為水，聲學(xué)透鏡的弧面張角為120°。從該圖可以看出傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的主瓣半功率半徑約為0.37λ，而改進(jìn)后約為0.31λ，減小了16.2％。
圖4顯示的是采用傳統(tǒng)圓形電極(改進(jìn)前)和本實(shí)用新型提出的環(huán)形電極(改進(jìn)后)制作的聲學(xué)聚焦換能器在其焦平面附近沿其主軸方向上聲壓的分布曲線。其中透鏡材料選用的是石英玻璃，介質(zhì)液體為水，聲學(xué)透鏡的弧面張角為120°。從該圖可以看出傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的景深約為2.84λ，而改進(jìn)后約為4.42λ，延長(zhǎng)了53.0％。
下面以實(shí)際例子來(lái)說明上述改進(jìn)指標(biāo)的潛在效果，但是其效果并不僅限于此。
R3dB減小了16.2％，意味著在滿足同樣分辨率要求的情況下頻率可以降低16.2％。當(dāng)聲波頻率從600MHz降低到500MHz后，同樣在水中傳播300μm，它們的聲強(qiáng)衰減幅度之比竟為5∶1。當(dāng)然，聲衰減可以通過減小傳播距離，即縮短焦距來(lái)減小，但是這樣就必須進(jìn)一步縮小透鏡的尺寸，導(dǎo)致透鏡加工的難度增加，甚至無(wú)法加工。
在超聲聚焦噴射中由于空氣的特性聲阻抗通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于介質(zhì)液體的特性聲阻抗，所以聲波到達(dá)自由液面后將會(huì)發(fā)生劇烈的反射。這些反射回來(lái)的聲波會(huì)與正從透鏡那邊傳播過來(lái)的聲波發(fā)生干涉，形成駐波，這會(huì)增強(qiáng)部分區(qū)域的振幅，形成波腹；同時(shí)也會(huì)削弱部分區(qū)域的振幅，形成波節(jié)。波腹和波節(jié)之間的距離為四分之一波長(zhǎng)。造成噴射過程穩(wěn)定性較差。為此Scott A Erold等人，采用了多信號(hào)源激勵(lì)來(lái)改變駐波的波腹點(diǎn)位置，以及引入高衰減油墨來(lái)抑制駐波形成的方法，但是這種做法不僅需要輸入更多的能量，并且增加了微波驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜性。采用本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)，由于可以降低聲波的頻率，所以可以延長(zhǎng)波長(zhǎng)，從而增加波腹和波節(jié)之間的距離，提高噴射過程的穩(wěn)定性。不僅如此，隨著聲波頻率的降低還可以減少能量損失。
權(quán)利要求1.一種減小主瓣寬度并延長(zhǎng)景深的聲學(xué)聚焦換能器，由引線(1)、聲學(xué)透鏡(5)、壓電薄膜(3)組成，壓電薄膜(3)上的其中一個(gè)電極同聲學(xué)透鏡(5)的平面端連接，其特征在于所述的壓電薄膜(3)的兩面分別鍍有電極(2、4)，其電極(2、4)一面為環(huán)形，另一面為圓形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲學(xué)聚焦換能器，其特征在于所述的電極(2)可以為環(huán)形或圓形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲學(xué)聚焦換能器，其特征在于所述的電極(4)可以為環(huán)形或圓形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲學(xué)聚焦換能器，其特征在于壓電薄膜(3)兩面鍍有的電極的位置可以互換。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲學(xué)聚焦換能器，其特征在于聲學(xué)透鏡(5)可以是平面帶狀或階梯帶狀透鏡。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種減小主瓣寬度并延長(zhǎng)景深的聲學(xué)聚焦換能器，該換能器由引線、聲學(xué)透鏡和壓電薄膜組成，其壓電薄膜的兩面分別鍍有圓形電極和環(huán)形電極，其圓形電極同聲學(xué)透鏡的平面端連接，脈沖調(diào)制的微波信號(hào)通過引線分別施加到壓電薄膜的兩個(gè)電極上，在壓電薄膜中激發(fā)出機(jī)械振動(dòng)，該振動(dòng)通過聲學(xué)透鏡被匯聚到焦點(diǎn)區(qū)域內(nèi)。由于其中一個(gè)電極采用的是環(huán)形設(shè)計(jì)，而不是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的圓形，所以焦平面上的半功率點(diǎn)半徑會(huì)小于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而沿聲軸方向的景深長(zhǎng)度卻會(huì)長(zhǎng)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)G10K11/26GK2682531SQ20042000346
公開日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月12日
發(fā)明者張波, 張德遠(yuǎn), 鄭新芬 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)