本發明涉及壓電超聲換能器，尤其涉及一種平面主動聚焦空氣耦合超聲換能器。

背景技術：

1、空氣耦合超聲換能器憑借其非接觸、完全無損的特點，在生物醫學和無損檢測領域顯示出巨大的應用潛力。隨著檢測技術和醫療的發展，高精度、復雜情況下的超聲檢測對空耦換能器的性能提出了更高的要求。超聲聚焦技術能夠使空耦換能器產生極窄的高強度聲束，大大提高了空耦換能器分辨率和靈敏度。在超聲成像、結構健康監測、醫用超聲等領域有著廣泛的應用。

2、傳統的聚焦空耦換能器多采用被動聚焦的方法來提高換能器的橫向分辨率，比如聲凹透鏡。其中，聲凹透鏡的聚焦方法破壞了聲阻抗匹配的厚度條件，對空耦換能器的靈敏度存在負面影響；菲涅耳波帶板的聚焦方法由于障板的阻擋和衍射效應，導致本底噪聲較大，且焦點處聲壓較低。由此可見，空耦換能器的被動聚焦方法總是伴隨著對換能器靈敏度的不利影響，即會降低換能器的靈敏度。

技術實現思路

1、有鑒于此，有必要提供一種平面主動聚焦空氣耦合超聲換能器，用以解決如何提高換能器的靈敏度的問題。

2、為了解決上述問題，本發明提供一種平面主動聚焦空氣耦合超聲換能器，包括：

3、壓電片、匹配層、外殼、后蓋板和接口；

4、所述壓電片和所述匹配層均設置于所述外殼內；

5、所述后蓋板覆蓋在所述外殼的末端；所述接口設置于所述外殼上；

6、所述壓電片的第一面上設置有多個同心環狀結構電極；所述多個同心環狀結構電極中每個同心環的寬度從外向內依次遞增；

7、所述壓電片的第二面上設置有整面電極；所述第一面和所述第二面為相對的兩個表面；

8、所述壓電片通過所述多個同心環狀結構電極和所述整面電極引出的導線與所述接口連接。

9、在一種可能的實現方式中，所述多個同心環狀結構電極中每個同心環的半徑如下：

10、

11、其中， rn表示第 n個半徑， n為正整數， f表示焦距， λ表示聲波在介質中的波長。

12、在一種可能的實現方式中，所述壓電片的第一面與所述匹配層之間采用環氧樹脂膠水粘接。

13、在一種可能的實現方式中，所述多個同心環狀結構電極是通過在所述壓電片上采用絲網印刷技術制備得到的。

14、在一種可能的實現方式中，所述多個同心環狀結構電極為銀電極。

15、在一種可能的實現方式中，所述壓電片和所述匹配層的直徑相同；

16、所述壓電片和所述匹配層為同軸設置。

17、在一種可能的實現方式中，所述壓電片的厚度為超聲波信號中心頻率對應的二分之一波長。

18、在一種可能的實現方式中，所述壓電片的材質為1-3型壓電纖維復合材料。

19、在一種可能的實現方式中，所述匹配層的厚度為超聲波信號中心頻率對應的四分之一波長。

20、在一種可能的實現方式中，所述匹配層的材質為空心玻璃微珠/環氧樹脂復合材料。

21、本發明的有益效果是：本發明提供的平面主動聚焦空氣耦合超聲換能器，通過壓電片第一面上的第一電極包括多個同心環狀結構電極，壓電片第二面上的第二電極為整面電極，改變壓電片電極結構，在壓電片單面設置多個同心環狀電極結構，且多個同心環狀結構電極中每個同心環的寬度從外向內依次遞增，通過在同心環狀電極上施加相同的激勵信號，可以實現平面聲束的主動聚焦，并配合均勻厚度的平面聲阻抗匹配層，可以在不影響換能器橫向分辨率的情況下提高聚焦空耦換能器靈敏度。

技術特征：

1.一種平面主動聚焦空氣耦合超聲換能器，其特征在于，包括：

2.根據權利要求1所述的平面主動聚焦空氣耦合超聲換能器，其特征在于，所述多個同心環狀結構電極中同心環的半徑如下：

3.根據權利要求1所述的平面主動聚焦空氣耦合超聲換能器，其特征在于，所述壓電片的第一面與所述匹配層之間采用環氧樹脂膠水粘接。

4.根據權利要求1所述的平面主動聚焦空氣耦合超聲換能器，其特征在于，所述多個同心環狀結構電極是通過在所述壓電片上采用絲網印刷技術制備得到的。

5.根據權利要求1所述的平面主動聚焦空氣耦合超聲換能器，其特征在于，所述多個同心環狀結構電極為銀電極。

6.根據權利要求1所述的平面主動聚焦空氣耦合超聲換能器，其特征在于，

7.根據權利要求1所述的平面主動聚焦空氣耦合超聲換能器，其特征在于，所述壓電片的厚度為超聲波信號中心頻率對應的二分之一波長。

8.根據權利要求1所述的平面主動聚焦空氣耦合超聲換能器，其特征在于，所述壓電片的材質為1-3型壓電纖維復合材料。

9.根據權利要求1所述的平面主動聚焦空氣耦合超聲換能器，其特征在于，所述匹配層的厚度為超聲波信號中心頻率對應的四分之一波長。

10.根據權利要求1所述的平面主動聚焦空氣耦合超聲換能器，其特征在于，所述匹配層的材質為空心玻璃微珠/環氧樹脂復合材料。

技術總結
本發明涉及一種平面主動聚焦空氣耦合超聲換能器，屬于壓電超聲換能器技術領域，該平面主動聚焦空氣耦合超聲換能器包括：壓電片和匹配層均設置于外殼內；后蓋板覆蓋在外殼的末端；接口設置于外殼上；壓電片的第一面上設置有多個同心環狀結構電極；多個同心環狀結構電極中每個同心環的寬度從外向內依次遞增；壓電片的第二面上設置有第二電極；壓電片通過多個同心環狀結構電極和整面電極引出的導線與接口連接。本發明提供的平面主動聚焦空氣耦合超聲換能器，通過改變壓電片電極結構，在壓電片單面設置多個同心環狀電極結構實現平面聲束的主動聚焦，配合均勻厚度的平面聲阻抗匹配層，在不影響換能器橫向分辨率的情況下提高聚焦空耦換能器靈敏度。

技術研發人員：吳樵,李劍,耿傲峰,曾屹高,宋小春,涂君,張旭
受保護的技術使用者：湖北工業大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28