Многоэлементный преобразователь
Использование: для преобразования электрической энергии в механические колебания на частоте в акустическом диапазоне, а также для приема таких звуковых волн путем преобразования механической энергии в электрическую энергию. Сущность изобретения заключается в том, что многоэлементный электроакустический преобразователь содержит изгибную пластину; множество пьезоэлектрических дисков, причем упомянутые пьезоэлектрические диски размещены в планарной матрице на упомянутой изгибной пластине и присоединены к ней, причем каждый из упомянутых пьезоэлектрических дисков и изгибная пластина образуют двухслойный блок; и перегородочный слой, содержащий множество перегородок, образующих множество отверстий, причем упомянутый перегородочный слой присоединен к упомянутой изгибной пластине; причем каждый из упомянутого множества пьезоэлектрических дисков центрирован в каждом из упомянутого множества отверстий, а упомянутые перегородки образуют стенки множества двухслойных электроакустических элементов. Технический результат: повышение чувствительности по широкой полосе и акустической выходной мощности, а также обеспечение низкого профиля и малого веса преобразователя. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 38 ил.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[001] Это изобретение относится к новому электроакустическому преобразователю, в частности, многоэлементному преобразователю, ультразвуковому передатчику, включающему в себя такой многоэлементный преобразователь, и способу изготовления такого электроакустического преобразователя.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[002] Электроакустические преобразователи преобразуют электрическую энергию в механические колебания на частоте в акустическом диапазоне, например, в звуковом или ультразвуковом диапазоне и/или может принимать такие звуковые волны и преобразовывать механическую энергию в электрическую энергию. Такое преобразование может достигаться, например, пьезоэлектрическими устройствами. Пьезоэлектрические устройства могут иметь многослойную структуру, включающую в себя один или два пьезоэлектрических слоя и гибкий слой, способный вибрировать, который обычно выполнен из металла, но также может быть выполнен из неметаллического материала.
[003] Эффективность акустического передатчика является функцией эффективностей излучательного и механического преобразования устройства, и общая эффективность одноэлементного передатчика, имеющего один преобразователь, может быть низкой даже при высоком коэффициенте механического преобразования. Объединение нескольких преобразователей в матрицу позволяет преодолевать некоторые недостатки одноэлементного передатчика, в том числе, сконцентрировать доступную акустическую мощность в пучок, что приводит к увеличению уровня источника. Decarpigny, J.N. et al., ʺThe design of low-frequency underwater acoustic projectors: Present status and future trends,ʺ IEEE J. Oceanic Eng., vol. 16, no. 1, pp. 107-122, January, 1991; Wilson, O.B., ʺIntroduction to Theory and Design of Sonar Transducersʺ, at 159, Peninsula Publishing, Los Altos, CA, 1988. Матрицы также позволяют повышать отношение сигнал-шум и чувствительность. Для данного акустического сигнала матрица может генерировать более высокие напряжения, когда блоки соединены последовательно, и может генерировать более сильные токи, когда блоки соединены параллельно. Abbott, W.L., ʺPerformance testing of sonar transducersʺ, Sound and Vibration, vol. 19, no. 12, p. 8, 1985. Тем не менее, взаимодействия между отдельными элементами плотно упакованных матриц могут приводить к различию в акустической нагрузке на каждом преобразовательном элементе в зависимости от их местоположения в массиве, что может приводить к изменениям в объемной скорости каждого элемента в массиве. Sherman, C.H., ʺAnalysis of acoustic interactions in transducer arrays,ʺ IEEE Trans. Sonics and Ultrasonics, SU-13, no. 1, p. 9-15, 1966. Это может приводить к значительным изменениям в объемной интенсивности каждого элемента массива. Таким образом, несмотря на повышение мощности и отношения сигнал-шум, которые может обеспечивать матрица преобразователей, взаимодействия между элементами матрицы могут фактически снижать акустическую выходную мощность; в предельных случаях отдельные элементы матрицы могут иметь отрицательное сопротивление излучения и фактически поглощать акустическую мощность. Такие взаимодействия могут быть особенно проблематичными, когда преобразовательные элементы малы по сравнению с длиной волны излучаемого поля и когда они имеют высокую эффективность.
[004] Электроакустические преобразователи можно использовать в громкоговорителях, микрофонах и ультразвуковых приемопередатчиках. В области медицинских устройств такие преобразователи можно использовать совместно с имплантируемыми резонансными датчиками, например, пассивными резонансными датчиками с ультразвуковым возбуждением, как описано, например, в патентах США № 7134341, выданном Girmonsky, 5619997, выданном Kaplan, и 5989190, выданном Kaplan. В таких системах, электроакустический преобразователь является внешним блоком, который генерирует ультразвуковые волны в качестве входного сигнала на имплантированный датчик, и может принимать от имплантированного датчика ультразвуковые сигналы, которые представляют информацию об измеряемой величине, регистрируемой датчиком, преобразуя эти сигналы в электрические сигналы для переработки в считываемый пользователем формат.
[005] Коммерчески доступные ультразвуковые излучающие устройства, имеющие электроакустические преобразователи, обычно велики и громоздки при недостаточной чувствительности к передаче и ширине полосы для оптимального использования с имплантированными датчиками. Высокая чувствительность к передаче и широкая полоса являются желательными характеристиками, поскольку они обеспечивают более точную и эффективную связь между внешним блоком и имплантированным датчиком. Другие физические характеристики, например, низкий профиль и малый вес, также являются желательными характеристиками в таких применениях, поскольку преобразователь может присоединяться к или носиться на или в теле человека. Таким образом, в уровне техники требуется электроакустический преобразователь, имеющий такие преимущественные физические характеристики.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[006] Настоящее изобретение относится к электроакустическому преобразовательному устройству и производственному процессу. Электроакустическое преобразовательное устройство по изобретению представляет собой акустический передатчик, который содержит множество электроакустических элементов, размещенных в практически плоскопанельной матрице. Каждый преобразовательный компонент устройства является элементом, который содержит «двойной слой», содержащий активный элемент и инертное основание. Активный элемент предпочтительно является пьезоэлектрическим диском. Инертное основание представляет собой изгибную пластину, которая предпочтительно является проводящей и может быть металлизирована с одной стороны. В частности, каждый элемент преобразовательного устройства по изобретению может включать в себя пьезоэлектрический диск, присоединенный к изгибной пластине и подключенный к электрическим проводам, для формирования пьезоэлектрического двухслойного блока.
[007] Перегородочный слой содержит слой материала, образующий множество отверстий, положение, форма и диаметр которых соответствуют элементам. Высота перегородочного слоя задает глубину полости элемента. Перегородки, также именуемые здесь стенками, разделяют соседние элементы.
[008] Преобразовательное устройство по изобретению имеет первую сторону, которая обращена к телу или окружающей среде, куда нужно передавать ультразвуковые волны, и также может именоваться «фронтальной стороной» устройства. Первая сторона в необязательном порядке включает в себя согласующий слой, который имеет поверхность, которая приходит в контакт, например, с телом. Преобразовательное устройство имеет вторую сторону, которая в некоторых вариантах осуществления содержит поддерживающий слой, присоединенный к перегородочному слою. Поддерживающий слой может обеспечивать механическую опору и ограничение пластины. Не ограничиваясь теорией, масса поддерживающего слоя может облегчать поглощение энергии, излучаемой к задней стороне преобразователя. Снижение обратно излучаемой энергии повышает эффективность устройства в том, что ультразвуковая энергия предполагается направленной и будет направляться к фронтальной стороне устройства. Масса поддерживающего слоя может помогать увеличивать ширину полосы частот отклика давления, передаваемого к фронтальной стороне устройства.
[009] Материалы и конструкция преобразовательного устройства делают возможным, чтобы акустический передатчик достиг более высокой чувствительности к передаче по более широкой полосе звуковой частоты, преимущественно поддерживая более низкий профиль и меньший вес, чем традиционные электроакустические преобразователи, имеющие такую же площадь поверхности.
[010] Преобразовательное устройство имеет широкий диапазон применений. Поскольку электроакустическое преобразовательное устройство сравнительно мало и имеет низкую планарную жесткость, оно особенно полезно, когда желателен тесный контакт с кожей, поскольку ультразвуковые волны могут эффективно передаваться в тело. Помимо таких применений, как устройство медицинской диагностики, преобразовательное устройство по изобретению также может иметь гражданское или военное подводное применение, например, подводная навигация с помощью сонара с синтезированной апертурой (SAR), глубинное зондирование, картографирование океана и подводная связь.
[011] Одним неограничительным примером применения преобразователя по изобретению является использование имплантируемых ультразвуковых датчиков, в частности, пассивных резонансных датчиков с ультразвуковым возбуждением. Такие пассивные резонансные датчики с ультразвуковым возбуждением включают в себя резонансный элемент, например, мембрану, и работают без прямого электрического входного сигнала. Резонансный элемент имплантированного датчика возбуждается ультразвуковой энергией извне тела, резонирует на частоте, которая изменяется как функция физиологической переменной окружающей среды измерения, и возвращает ультразвуковые сигналы, из которых можно вычислить эту резонансную частоту. Примеры пассивных резонансных датчиков с ультразвуковым возбуждением, которые можно использовать с настоящим изобретением, описаны в патентах США №№ 5619997, 5989190, 6083165, 6331163, 7415883 и 8162839, выданных Kaplan, и в патенте США № 7134341, выданном Girmonsky и др., которые включены в данное описание по ссылке в полном объеме. Поскольку он способен работать с высокой чувствительностью к передаче на всем протяжении полос рабочих частот таких датчиков, электроакустическое преобразовательное устройство по настоящему изобретению особенно пригодно для опрашивания имплантированного пассивного резонансного датчика с ультразвуковым возбуждением.
[012] Акустический передатчик из настоящей заявки можно использовать для генерации из электрических сигналов ультразвуковых волн, которые поступают на удаленно расположенный, например, имплантированный, резонансный датчик, в том числе, ультразвуковые сигналы низкой частоты для возбуждения резонансного элемента датчика, например, вибрирующей мембраны, возбуждающим ультразвуковым пучком. Преобразовательное устройство также может излучать высокочастотные несущие волны на датчик и/или принимать ультразвуковые сигналы, например, отраженные или модулированные сигналы, от датчика и преобразовывать их в электрические сигналы для считывания выходного сигнала датчика. Акустическое устройство может иметь широкое акустическое поле или узкое акустическое поле. Конструкция преобразовательного устройства, обеспечивающая широкое акустическое поле, позволяет осуществлять ультразвуковое возбуждение по большой площади. Широкое акустическое поле желательно, например, при использовании способа доплеровского сдвига для обнаружения резонанса и для определения резонансной частоты резонансного датчика с ультразвуковым возбуждением, например, как подробно описано в патенте США № 7134341, выданном Girmonsky. Конструкция преобразователя, обеспечивающая узкое акустическое поле, полезна, когда желательно направлять возбуждающее поле в конкретном направлении.
[013] Таким образом, задачей изобретения является обеспечение легкого электроакустического преобразователя, имеющего низкий профиль, а также высокую чувствительность, широкую полосу частот и широкое акустическое поле.
[014] Преобразователь также можно сконструировать так, чтобы он имел более сфокусированное и, таким образом, более управляемое возбуждающее поле. Поэтому, задачей изобретения также является обеспечение легкого электроакустического преобразователя, имеющего низкий профиль, высокую чувствительность, широкую полосу частот и узкое акустическое поле.
[015] Задачей изобретения также является обеспечение многоэлементного преобразователя, имеющего более одного рабочего диапазона, в частности, многочастотного преобразователя. Разные диапазоны частот могут использоваться независимо или совместно.
[016] Настоящее изобретение также относится к процессу изготовления электроакустического преобразователя, который предусматривает изготовление узла изгибной пластины, отдельного узла пьезоэлектрического диска для множества элементов, а затем соединение двух узлов друг с другом.
[017] Еще одной задачей изобретения является обеспечение способа изготовления электроакустических преобразователя, имеющего низкий профиль, высокую чувствительность и широкое акустическое поле.
[018] Еще одной задачей изобретения является обеспечение способа изготовления электроакустических преобразователя, имеющих низкий профиль, высокую чувствительность и узкое акустическое поле.
[019] Совокупный эффект планарной матрицы элементов в соответствии с изобретением дает преобразовательному устройству преимущество более высокой чувствительности при работе в более широкой полосе по сравнению с одноэлементными преобразователями. Конструкция преобразователя также обеспечивает низкопрофильное и легкое устройство с гибкой конструкцией, сравнительно недорогое в макетировании. Преобразователь, отвечающий изобретению, может быть сконструирован для обеспечения надлежащих напряженности поля, ширины и частоты поля или комбинации частот для различных применений.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[020] Настоящее изобретение можно лучше понять из нижеследующего подробного описания, приведенного со ссылкой на чертежи, в которых:
[021] Фиг. 1A-1C демонстрируют слои варианта осуществления многоэлементного преобразователя согласно изобретению, в виде в перспективе сверху.
[022] Фиг. 2A - схематическая иллюстрация одного пьезоэлектрического элемента, показанного в разрезе, в соответствии с изобретением.
[023] Фиг. 2B - схематическая иллюстрация другого пьезоэлектрического элемента, показанного в разрезе, в соответствии с изобретением.
[024] Фиг. 2C - схематическая иллюстрация другого пьезоэлектрического элемента, показанного в разрезе, в соответствии с изобретением.
[025] Фиг. 3 - схематическая иллюстрация двух соседних пьезоэлектрических элементов, согласно изобретению, показанных в разрезе, в соответствии с изобретением.
[026] Фиг. 4 демонстрирует чувствительность к передаче для одного пьезоэлектрического элемента как функцию частоты для различных материалов ЦТС.
[027] Фиг. 5 демонстрирует чувствительность к передаче для одного пьезоэлектрического элемента как функцию отношения диаметра диска к диаметру пластины.
[028] Фиг. 6A демонстрирует чувствительность к передаче для одного пьезоэлектрического элемента как функцию шага.
[029] Фиг. 6B демонстрирует корреляцию между шагом и чувствительностью к передаче для одного пьезоэлектрического элемента.
[030] Фиг. 7 демонстрирует вариант осуществления конфигурации элементов в виде сплошного диска для многоэлементного преобразователя согласно изобретению.
[031] Фиг. 8A и 8B демонстрируют варианты осуществления конфигурации элементов в виде диска с центральным отверстием (проемом) для многоэлементного преобразователя согласно изобретению, причем вариант осуществления, представленный на фиг. 8B, имеет больший диаметр диска и, таким образом, больше элементов, чем вариант осуществления, представленный на фиг. 8A.
[032] Фиг. 9 демонстрирует картины пучка на разных частотах для варианта осуществления электроакустической конструкции, подобной показанной на фиг. 7.
[033] фиг. 10 демонстрирует картины пучка на разных частотах для варианта осуществления электроакустической конструкции, подобного показанному на фиг. 8A.
[034] Фиг. 11 демонстрирует картины пучка на разных частотах для другого варианта осуществления электроакустической конструкции, подобной показанной на фиг. 8B.
[035] Фиг. 12 - график чувствительности к передаче для варианта осуществления элемента, имеющего высокие перегородки, выполненные из латуни, для использования в преобразовательном устройстве в соответствии с изобретением.
[036] Фиг. 13A - график чувствительности к передаче для варианта осуществления элемента, имеющего поддерживающий слой более толстый, чем перегородочный слой, для использования в преобразовательном устройстве в соответствии с изобретением, в котором перегородочный и поддерживающий слои выполнены из одного и того же материала, латуни.
[037] Фиг. 13B - график чувствительности к передаче для варианта осуществления элемента, имеющего поддерживающий слой более толстый, чем перегородочный слой, для использования в преобразовательном устройстве в соответствии с изобретением, в котором перегородочный и поддерживающий слои выполнены из разных материалов, латуни и вольфрам-эпоксидного композита.
[038] Фиг. 13C - график чувствительности к передаче для варианта осуществления элемента, имеющей поддерживающий слой более толстый, чем перегородочный слой, для использования в преобразовательном устройстве в соответствии с изобретением, в котором перегородочный и поддерживающий слои выполнены из одного и того же материала, вольфрам-эпоксидного композита.
[039] Фиг. 13D - график чувствительности к передаче для варианта осуществления элемента, имеющего поддерживающий слой более толстый, чем перегородочный слой, для использования в преобразовательном устройстве в соответствии с изобретением, в котором перегородочный и поддерживающий слои выполнены из разных материалов, вольфрам-эпоксидного композита и латунного композита.
[040] Фиг. 14A-P демонстрируют вариант осуществления способа изготовления многоэлементного преобразователя согласно изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[041] Настоящее изобретение предусматривает многоэлементный электроакустический преобразователь и способ изготовления такого преобразователя. Электроакустическое преобразовательное устройство по изобретению является практически плоским, содержащим множество элементов в плоскости. Преобразовательный компонент содержит элемент, и каждый элемент может содержать двухслойный блок. В частности, матрица пьезоэлектрических дисков может быть присоединена к изгибной пластине, образуя мозаику в плоскости для обеспечения матрицы двухслойных блоков (элементов). Электрический сигнал, поступающий на пьезоэлектрические диски, может подаваться по проводам. Электроакустические элементы преобразуют электрические сигналы в ультразвуковые акустические сигналы, и эти сигналы могут направленно излучаться с минимальной потерей энергии благодаря конструкции устройства. Совокупный эффект множества элементов позволяет преобразовательному устройству достигать высокой чувствительности к передаче в широкой полосе для обеспечения широкого акустического поля. Матрица также позволяет обеспечить конструкции, усиливающие свойства направленности, что позволяет концентрировать пучок акустической мощности.
[042] Преимущества использования планарной матрицы двухслойных преобразовательных компонентов для многоэлементного преобразователя по изобретению включают в себя высокую чувствительность, возможность широкой полосы, низкий профиль, малый вес, недорогое макетирование для конкретных применений и гибкую конструкцию преобразователя. Преимущественная широкая полоса по настоящему изобретению обеспечивает амплитудную характеристику передачи, которая обеспечивает эффективную акустическую передачу в широком диапазоне частот.
[043] В частности, двухслойный преобразовательный компонент преобразователя по изобретению может содержать инертное основание и пьезоэлектрический элемент. Двухслойная матрица делится на множество элементов перегородочным слоем, содержащим перегородки, которые образуют множество отверстий, причем каждое отверстие образует полость элемента. Перегородки также именуются здесь стенками. Каждый элемент имеет свой собственный диаметр, определяемый перегородками, и каждый элемент работает независимо, но множество элементов может возбуждаться параллельно. Перегородочный слой также может иметь вертикальную высоту, которая способствует прямому излучению акустической энергии из двухслойного преобразовательного компонента.
[044] Пьезоэлектрические элементы многоэлементного преобразователя по изобретению могут иметь любую поворотно-симметричную форму (симметрию относительно оси, заданной центром элемента). В одном варианте осуществления элементы имеют одинаковые форму и размер. В одном варианте осуществления элементы являются круглыми. В другом варианте осуществления элементы являются шестиугольными. В еще одном варианте осуществления элементы являются квадратными. Диаметр каждого элемента между перегородками может иметь размер, позволяющий получить требуемую частоту. В некоторых вариантах осуществления, диаметр каждого элемента может составлять примерно 4-10 мм, например, 6 мм или 7 мм. Элементы могут образовывать мозаику таким образом, чтобы обеспечивать одинаковое расстояние от центра любого элемента до центра любого соседнего элемента, например, шестиугольную мозаичную структуру. В одном варианте осуществления распределение элементов может обеспечивать наибольшую плотность упаковки множества элементов на преобразовательном диске, т.е. минимальное расстояние между элементами. Минимизация ширины перегородок для уменьшения шага (расстояния между центрами соседних элементов) может обеспечивать увеличение полосы рабочих частот преобразовательного устройства, имеющего данный диаметр. Когда элементы являются шестиугольными, каждая перегородка может иметь одинаковую ширину. Таким образом, не ограничиваясь теорией, преобразователь по изобретению может быть сконструирован с плотностью элементов, которая обеспечивает требуемую мощность или плотность мощности на единицу площади.
[045] Преобразовательное устройство может дополнительно включать в себя согласующий слой на первой стороне матрицы и поддерживающий слой на второй стороне матрицы.
[046] Преобразовательное устройство, предпочтительно, включает в себя согласующий слой. Согласующий слой располагается на первой стороне преобразовательного устройства, а именно, «фронтальной стороне» преобразователя, где ультразвуковые волны излучаются из устройства и принимаются из окружающей среды, тогда как поддерживающий слой располагается на второй стороне преобразовательного устройства. Согласующий слой прозрачен для ультразвуковых волн и, предпочтительно, выполнен из материала, который минимизирует рассогласования акустического импеданса, когда акустические волны пересекают поверхности раздела между окружающей средой, согласующим слоем и изгибной пластиной. Другими словами, акустический импеданс согласующего слоя не должен сильно отличаться от акустического импеданса окружающей среды и изгибной пластины для минимизации отражения или преломления акустических волн и также минимизации неблагоприятного влияния на прочность, например, потери акустической энергии, и частоту акустических волн. Когда преобразовательное устройство используется с имплантированным датчиком как часть внешнего блока, например, для возбуждения датчика и, в необязательном порядке, для приема сигналов от датчика или для определения положения датчика, предпочтительно, чтобы материал согласующего слоя имел приблизительно такой же акустический импеданс, как у мягких тканей тела. Таким образом, например, в таких применениях согласующий слой может иметь акустический импеданс, близкий к акустическому импедансу одного или более из воды, ткани и крови, например, в диапазоне 1,5-1,54 Мрейл. Определение акустического импеданса окружающей среды, в которой предполагается использовать преобразователь, известно в техники. Применительно к медицинской диагностике, согласующий слой может иметь прямой контакт с кожей. Соответственно, согласующий слой может содержать мягкий полимерный материал и может быть биологически совместимым с поверхностью тела, которая предназначена для контакта.
[047] Поддерживающий слой может присоединяться к перегородочному слою - второй стороне устройства, эффективно «герметизируя» полости для формирования закрытых элементов. Преимущество включения поддерживающего слоя состоит в ограничении передачи акустической энергии от задней стороны устройства - в направлении, противоположном предназначенному направлению, что менее эффективно и может изменять ширину полосы устройства. Надлежащие материалы для поддерживающего слоя будет зависеть отчасти от используемых частот акустической энергии и общей структуры преобразователя.
[048] Преобразователь может быть выполнен с возможностью генерации и приема низкочастотных ультразвуковых волн или для немедицинских применений звуковых волн. Низкочастотные волны могут иметь частоту, например, в диапазоне примерно 30-200 кГц, примерно 20-160 кГц, примерно 30-100 кГц, примерно 50-100 кГц или примерно 20-80 кГц, или могут включать в себя частоты ниже 10 кГц или столь низкие, как требует конкретное применение. В общем случае, предпочтительно избегать слышимых частот в медицинских применениях для человека. Альтернативно, преобразователь может быть выполнен с возможностью генерации и приема высокочастотных ультразвуковых волн, например, в диапазоне примерно 1-10 МГц или примерно 1-50 МГц. Альтернативно, преобразователь может быть выполнен с возможностью генерации и приема комбинации ультразвуковых (или звуковых) волн низких и высоких частот, например, комбинаций в диапазоне от примерно 30 кГц до примерно 1 МГц или от примерно 20 кГц до примерно 10 МГц.
[049] Было обнаружено, что многоэлементная конструкция по изобретению обеспечивает более высокую чувствительность к передаче по сравнению с традиционными электроакустическими преобразователями с такой же площадью поверхности. Например, многоэлементная конструкция, при использовании в диапазоне частот примерно 30-200 кГц, особенно пригодна для использования с пассивным резонансным датчиком с ультразвуковым возбуждением.
[050] Устройство/способ согласно изобретению рассматривается и объясняется ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи. Заметим, что чертежи обеспечены для понимания примеров настоящего изобретения и для схематической демонстрации конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения. Специалисты в области техники могут рассмотреть другие аналогичные примеры, также укладывающиеся в объем изобретения. Чертежи не призваны ограничивать объем настоящего изобретения, заданный в нижеследующей формуле изобретения.
[051] Как показано на фиг. 1A-1C в виде в перспективе снизу, преобразовательное устройство имеет в качестве своих существенных элементов изгибную пластину 11, множество пьезоэлектрических элементов, пьезоэлектрические диски 12a-12c, расположенные в планарной матрице на изгибной пластине 11, и перегородочный слой 13. Матрица двухслойных элементов - активные пьезоэлектрические диски 12a-12c, присоединенные к инертной изгибной пластине - содержит преобразовательный компонент устройства.
[052] Как показано на фиг. 1A, изгибная пластина 11 распространяется на всю площадь преобразователя. В частности, изгибная пластина 11, показанная на фиг. 1A, является инертным основанием, к которому присоединена матрица пьезоэлектрических дисков 12a-12c. Фиг. 1B.
[053] В общем случае слои инертной изгибной пластины 11, 111 и пьезоэлектрического диска 12, 112 двойного слоя 20 (фиг. 2) будет иметь не только сходные механические характеристики, но и сходную толщину (высоту в вертикальном направлении). Таким образом, например, пьезоэлектрический диск толщиной 0,2 мм может быть соединен с изгибной пластиной толщиной 0,2 мм. Используемые здесь термины «высота» или «вертикальная высота» используются взаимозаменяемо с термином «толстый» или «толщина». В одном варианте осуществления механические характеристики изгибной пластины 11, 111 и пьезоэлектрический диск 12, 112 сходны в том, что модуль Юнга материалов изгибной пластины и пьезоэлектрического диска имеет один и тот же порядок величины для достижения низкого напряжения на границе раздела в ходе изгибной деформации всего преобразовательного устройства. Можно компенсировать различие в модуле Юнга, действуя по толщине, также именуемой здесь вертикальной высотой, двух слоев. Например, если изгибная пластина сформирована из нержавеющей стали, и пьезоэлектрический диск сформирован из PZT-5H, модуль Юнга равен 190 и 61 ГПа, соответственно. Чтобы иметь хорошо сбалансированную структуру, в одном варианте осуществления изгибная пластина и пьезоэлектрический диск каждого двойного слоя имеют сходные механические характеристики и вертикальную высоту, например, изгибная пластина может быть сформирована с толщиной, равной или приблизительно равной 140 мкм, а пьезоэлектрический диск может быть сформирован с толщиной, равной или приблизительно равной 200 мкм. В этом варианте осуществления изгибная пластина и пьезоэлектрический диск могут иметь одинаковый модуль Юнга. Изгибная пластина и пьезоэлектрические диски может иметь одну или более идентичных механических характеристик. В другом варианте осуществления изгибная пластина и пьезоэлектрический диск могут быть сформированы с одинаковой толщиной или вертикальной высотой 200 мкм. Предполагается, что изгибная пластина и пьезоэлектрический диск могут быть сформированы с множеством альтернативных размеров при условии, что поддерживается отношение 1 к 4 для модуля Юнга. Термин, сходный, как использовано в настоящем документе, охватывает любые размеры изгибной пластины и пьезоэлектрического диска при условии, что поддерживается отношение 1 к 4 для модуля Юнга.
[054] Изгибная пластина 11 может быть проводящей пластиной (например, металлизированной с по меньшей мере одной стороны) и может изготавливаться из любого материала, который широко используется совместно с пьезоэлектрическим материалом. При выборе материала для изгибной пластины следует рассматривать следующие критерии: проводимость, способность к приклеиванию к пьезоэлектрическим материалам, контроль толщины, стоимость и доступность. Таким образом, например, материал изгибной пластины должен быть способен надежно приклеиваться к материалу пьезоэлектрического диска, например, к керамикам, если пьезокерамический диск используется в двойном слое. Дополнительно, предпочтителен также материал, который обеспечивает точный контроль толщины. Иллюстративные, неограничительные примеры материалов, полезных для изгибной пластины согласно изобретению, включают в себя углеродистую сталь (например, углеродистую сталь марки 1.1274); нержавеющую сталь (например, нержавеющую сталь марки 1.4310); оксид алюминия (например, металлизированный оксид алюминия); стекло (например, металлизированное стекло); и кремний.
[055] Пьезоэлектрический диск 12 может изготавливаться из любого материала, который широко используется для его пьезоэлектрических эффектов. При выборе материала для пьезоэлектрического диска следует учитывать следующие критерии: механические характеристики (например, высокую пьезоэлектрическую постоянную d31, низкие механические потери, низкие электрические потери), электрические характеристики (проводимость), форму и размер, техническую надежность, стоимость и доступность. Неограничительные иллюстративные примеры материалов для пьезоэлектрических дисков включают в себя цирконат-титанат свинца (ЦТС), например, мягкие материалы ЦТС, например, PZT5A и PZT5H, и твердые материалы ЦТС, например, PZT4, PZT7A, PZT8. PZT5A описан, например, в Engineering Fundamentals, Inc. на www.efunda.com; PZT5H описан, например, в Heinonen, E., Juuti, J., and Leppavuori, S. Characterization and modelling of 3D piezoelectric ceramic structures with ATILA software. Journal of European Ceramic Society, 25, 2467-2470 (2005). Такие материалы доступны, например, от Boston Piezo Optics Inc., Беллингем, Массачусетс, США, где описаны свойства материалов на http://bostonpiezooptics.com/ceramic-materials-pzt. См. также Bar-Chaim, N., M. Brunstein, J. Grünberg, and A. Seidman, ʺElectric field dependence of the dielectric constant of PZT ferroelectric ceramics,ʺ J. Appl. Phys. 45, 2398 (1974); D. Berlincourt and H. H. A. Krueger, (revised by C. Near), PROPERTIES OF MORGAN ELECTRO CERAMIC CERAMICS, Technical Publication TP-226, Morgan Electro Ceramics, на http://www.morganelectroceramics.com/resources/technical-publications/; Berlincourt, D., ʺRecent Developments in Ferroelectric Transducer Materials,ʺ Transactions of the IRE Professional Group on Ultrasonic Engineering, Vol. 4, Issue: 1, pp. 53-65, Aug. 1956; Berlincourt, D.; B. Jaffe, H. Jaffe, H.H.A. Krueger, ʺTransducer Properties of Lead Titanate Zirconate Ceramics,ʺ IRE Transactions on Ultrasonic Engineering, Volume: 7, Issue: 1, pp. 1-6, Feb. 1960; Jaffe, H., D.A., Berlincourt, ʺPiezoelectric transducer materials,ʺ Proceedings of the IEEE, Volume: 53, Issue 10, pp. 1372-1386, Oct. 1965; Lamberti, N., M. Pappalardo, ʺA general approximated two-dimensional model for piezoelectric array elements,ʺ IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 42, Issue: 2, pp. 243-252, Mar. 1995.
[056] Перегородочный слой 13 присоединен к изгибной пластине 11 и содержит множество отверстий, которые соответствуют множеству элементов многоэлементного преобразователя, как показано на фиг. 1C. Материал перегородочного слоя 13, окружающий отверстия, образует перегородки или стенки между элементами, таким образом, образуя границы двухслойных электроакустических элементов. В наиболее эффективных вариантах осуществления отверстия имеют одинаковые размеры и равномерно разнесены. Как более подробно показано на фиг. 2 и 3, каждое отверстие задает полость 115a, 115b, ограниченную изгибной пластиной 111 и перегородками 113, причем перегородки образуют стенки элементов 10, 10a, 10b. Каждый пьезоэлектрический диск 12a-12c присоединен к изгибной пластине 11 (фиг. 1B) и располагается по центру отверстий перегородочного слоя 13 (фиг. 1C), т.е. в каждой полости. Каждый пьезоэлектрический диск 12a-12c, 112, 112a, 112b может иметь ту же форму, что и граница элемента 10, 10a, 10b, в котором он содержится, но меньшего диаметра, как показано на фиг. 2 и 3. С подключенными электрическими проводами пьезоэлектрический блок - элемент - может преобразовывать электрические сигналы в ультразвуковые волны и наоборот.
[057] Пьезоэлектрический элемент может приводить в действие изгибную пластину, заставляя ее изгибаться. В одном варианте осуществления пьезоэлектрический диск может быть пьезокерамической пластиной, аналогичной тем, которые используются в телефонных приемниках и зуммерах. Современная технология позволяет изготавливать такие пьезокерамические пластины толщиной примерно 0,1 мм. Полная толщина композитной двухслойной пластины может быть примерно 0,2 мм. Таким образом, при подаче напряжения, композитная пластина может иметь большую деформацию и низкую изгибную жесткость. Присутствие изгибной пластины препятствует радиальной вибрации пьезокерамики при пропускании переменного тока. Создаваемые таким образом асимметричные напряжения прилагаются к двухслойной пластине, заставляя ее изгибаться.
[058] Не ограничиваясь теорией, в первом приближении резонансную частоту изгибной пластины элемента можно задать в виде:
где t - толщина (вертикальная высота), dc - диаметр двойного слоя, 
- модуль Юнга, 
- коэффициент Пуассона, и 
- отношение веса к поверхности. Величины, указанные с верхним подчеркиванием, обозначают средние значения между значениями для пьезоэлектрического диска и изгибной пластины. Постоянная λ2
будет зависеть от резонансной моды и вида связи, применяемой для присоединения пьезоэлектрического диска к изгибной пластине. См. Caliano, G., A. Iula, N. Lamberti, M. Pappalardo, ʺA Piezoelectric Bimorph Static Pressure Sensor,ʺ Sensors & Actuators A, 46-47, pp. 176-178 (1995). Для первой изгибной моды, λ2 может изменяться от примерно 4,9, для пластины, поддерживаемой на границе, до примерно 10,2 для зажатой пластины.
[059] В одном варианте осуществления элементы многоэлементного преобразователя могут иметь разные рабочие диапазоны и могут использоваться разными кабелями и электронными устройствами. Такое расположение обеспечивает многочастотный преобразователь, который позволяет элементам каждого диапазона резонансных частот работать независимо или совместно друг с другом. Этот вариант осуществления могут иметь преимущество для определенных применений, например, акустической виброметрии, где две частоты, например, более низкая частота для возбуждения и более высокая частота для доплеровского опроса, обязательны. Два отдельных диапазона частот можно использовать из одного и того же источника с коаксиальным распространением через среды, таким образом, гарантируя, что объем опрашиваемой окружающей среды оптимально располагается в объеме возбуждаемой окружающей среды.
[060] В этом варианте осуществления многочастотного преобразователя группы элементов могут быть выполнены с возможностью вибрировать на разных частотах. Для некоторых применений элементы с одинаковыми диапазонами частот могут быть равномерно распределены по преобразователю среди элементов с разными диапазонами частот. Для других применений элементы с одним и тем же рабочим диапазоном частот могут быть кластеризованы или расположены в конкретных областях преобразователя.
[061] Фиг. 2A схематически демонстрирует вид в разрезе одного элемента 10 варианта осуществления преобразовательного устройства по изобретению. В этом варианте осуществления элемент 10 включает в себя двойной слой 120 изгибной пластины 111 и пьезоэлектрический диск 112, а также перегородки 113, которые образуют границы элементов, и поддерживающий слой 114, который закрывает полость 115, образованную между перегородками 113, изгибной пластиной 111 и поддерживающим слоем 114.
[062] Фиг. 2B схематически демонстрирует элемент 10 по варианту осуществления, содержащий высокий перегородочный слой и не содержащий поддерживающего слоя.
[063] Фиг. 2C схематически демонстрирует элемент 10, в котором перегородочный и поддерживающий слои выполнены из одного и того же материала.
[064] Фиг. 3 схематически демонстрирует в разрезе, как перегородки 113a, 113b, 113c образуют границы двух соседних элементов варианта осуществления преобразовательного устройства по изобретению. Этот вариант осуществления аналогичен изображенному на фиг. 2A варианту, содержащему изгибную пластину 111, пьезоэлектрические диски 112a, 112b и поддерживающий слой 114, который закрывает полости 115a и 115b каждого элемента. Фиг. 3 также демонстрирует, что каждый пьезоэлектрический диск 112a, 112b имеет диаметр меньше диаметра содержащего его элемента 10a, 10b.
[065] В этом варианте осуществления пьезоэлектрические диски 12a и 12b идентичны, и каждый имеет диаметр d1. Диаметр элемента 10a и 10b изгибной пластины между перегородками 13a, 13b и 13c равен d2. Отношение d1:d2 (диск:пластина) может составлять от 0,5 до 1. Например, когда d1 равен 5 мм, d2 может быть равен 6 мм. Такой элемент, имеющий отношение d1:d2, равное 5:6 (или 0,83), достигал высокой чувствительности к передаче приблизительно 85%, как показано на фиг. 5. Ширина перегородок (d3) будет влиять на расстояние (d4) между сотами, которое измеряется от центра элемента 10a до центра соседнего элемента 10b. Таким образом, конструкция перегородочного слоя, имеющего малый d3, будет обеспечивать меньший d4 для планарной матрицы элементов. В одном варианте осуществления, например, d3 может быть равен 1 мм.
[066] Как показано на фиг. 4, из различных материалов, оцененных для пьезоэлектрического диска по изобретению (PZT4, PZT5A, PZT5H, PZT7A и PZT8), для одноэлементного варианта осуществления, PZT5H обеспечил наибольший d31 (поперечный пьезоэлектрический коэффициент, также именуемый пьезоэлектрической деформацией). Варианты осуществления элементов преобразователя, используемых для генерации данных для фиг. 4 и других представленных здесь данных, включали в себя двойной слой, содержащий изгибную пластину, изготовленную из углеродистой стали марки 1.1274 производства, например, Hasberg Schneider GmbH, Бернау, Германия.
[067] Варианты осуществления преобразователей, используемых для генерации данных для фиг. 5, 6A, 6B, 9-11, 12 и 13A-D, включали в себя двойной слой, содержащий пьезокерамику, изготовленную из PZT5H, и изгибную пластину, изготовленную из углеродистой стали марки 1.1274.
[068] Как упомянуто выше, пьезоэлектрический диск может иметь диаметр (d1), меньший диаметра элемента (d2), в котором содержится пластина. Элементы или пластины, где диаметр (d2) является диаметром участка изгибной пластины для двухслойного блока с чувствительностью к передаче, полученной для диапазона отношений d1:d2 для единичного элемента согласно изобретению, проиллюстрированы на фиг. 5. Согласно варианту осуществления, содержащему пластину пьезоэлектрического диска, изготовленную из PZT5H, отношение d1:d2 5:6 обеспечило преимущественные акустические частоты до примерно 160 кГц.
[069] Расстояние между центрами соседних элементов (расстояние от элемента до элемента) именуется «шагом». Чувствительность к передаче в диапазоне шагов была оценена для единичного элемента и показана на фиг. 6A. Как изображено на фиг. 6B, полоса частот и значение шага обратно пропорциональны. Круглые элементы могут располагаться в шестиугольной мозаичной структуре. Альтернативно, можно использовать элементы шестиугольной формы. Элемент круглой или шестиугольной формы позволяет уменьшать промежуток между элементами по сравнению, например, с квадратной формой. Диск диаметром 80 мм может иметь 120-150 шестиугольных или круглых элементов. В одном варианте осуществления, имеющем круглые элементы в шестиугольной матрице, было определено, что шаг 7 мм может обеспечивать относительную ширину полосы 85%. Можно использовать другие шаги с учетом формы элементов с целью достижения относительной ширины полосы как можно ближе к 100%. Меньшие значения шага могут увеличивать ширину полосы, но за счет увеличения числа элементов, что требует больше пьезоэлектрического материала и, таким образом, увеличивает стоимость.
[070] Преимущество преобразователя по изобретению состоит в том, что он не ограничивается конкретным диаметром или геометрией или их комбинацией, что позволяет получить оптимальную комбинацию акустической мощности и диапазона или диапазонов частот. Таким образом, например, преобразователь может быть выполнен с возможностью проникать на конкретную глубину, например, через ткань, и иметь конкретную ширину поля и конкретный рабочий диапазон или диапазоны частот в зависимости от применения.
[071] Преобразователь может иметь любую планарную геометрическую форму, однако было обнаружено, что в общем случае круглая форма - диск обеспечивает эффективную мозаичную структуру элементов. Диск может быть сплошным, как показано на фиг. 7, или может включать иметь центральное отверстие наподобие «отверстия тороида», как показано на фиг. 8A и 8B. В неограничительных примерах диаметр композитного диска может составлять примерно 30-90 мм, примерно 50-100 мм или примерно 60-90 мм, например, 80 мм или 92 мм. Центральное отверстие может иметь диаметр примерно 10-30 мм, например, примерно 25 мм. Толщина диска может составлять примерно 5-40 мм, например 15 мм, включая перегородки, поддерживающий слой и согласующий слой. Без поддерживающего слоя толщина диска может составлять примерно 1,5-40 мм. Двойной слой может иметь толщину в пределах примерно 0,2-1 мм, например 0,4 мм. В зависимости от конкретного применения диаметр диска свыше 100 мм входит в объем изобретения. Надлежащий диаметр (поперечный размер) и относительные размеры других структур входят в объем изобретения.
[072] Для оценивания электрического импеданса и излучаемого поля давления для прототипов матриц элементов в соответствии с изобретением можно использовать два способа моделирования. Например, для оценивания импульсных характеристик можно использовать моделирование методом конечных элементов (МКЭ), т.е. отклик ускорения преобразователя во временной области на возбуждение импульсным напряжением. Модель поля II (см. http://field-ii.dk/?./downloading_7_12.html; см. также J. A. Jensen. ʺField: A program for simulating ultrasound systems.ʺ Med. Biol. Eng. Comp., 10th Nordic-Baltic Conference on Biomedical Imaging, Vol. 4, Supplement 1, Part 1:351-353, 1996b) позволяет вычислять излучаемое поле давления, генерируемое преобразователями произвольной формы конечного размера в среде для непрерывных синусоидальных или импульсных волн.
[073] В одном варианте осуществления низкочастотный электроакустический преобразователь в соответствии с изобретением будет иметь относительную ширину полосы 6 дБ, которая достигает 100%, и достаточно высокую чувствительность для получения 100 кПа с использованием сигналов возбуждения амплитудой в десятки вольт в требуемом диапазоне частот, например, 30-100 кГц (-6 дБ) в представляющем интерес цилиндрическом объеме, имеющем длину приблизительно 160 мм и диаметр приблизительно 40 мм.
[074] Иллюстративные схемы расположения планарных матриц элементов на преобразовательных дисках, имеющих различные формы, были выполнены, как показано на фиг. 7, 8A и 8B, и был оценен электрический импеданс в погружном состоянии (МКЭ) вариантов осуществления преобразователя. В этих неограничительных вариантах осуществления каждый элемент имеет минимальный диаметр 6 мм, а каждая перегородка имеет минимальную ширину 1 мм.
[075] Фиг. 7 демонстрирует один вариант осуществления преобразователя 130, имеющего форму сплошного диска, и как может располагаться планарная матрица элементов 10a-10c. В этом неограничительном примере преобразовательный диск 130 имеет наружный диаметр примерно 80 мм, что обеспечивает планарную матрицу из приблизительно 121 круглых элементов, каждый из которых имеет диаметр 6 мм. Емкость (C) варианта осуществления, представленного на фиг. 7, на 1 кГц составляла 245,7 нФ, и импеданс (Z) составлял 1,82-21,2 i Ом на 30 кГц, 2,79-12,48 i Ом на 60 кГц, и 0,33-8,06 i Ом на 100 кГц. Было определено, что угол электрического импеданса близок к -90 градусам; потери в основном обусловлены излучение акустической энергии. В другом варианте осуществления, преобразовательный диск имеет наружный диаметр, равный или приблизительно равный 120 мм.
[076] Фиг. 8A схематически демонстрирует другой вариант осуществления планарной матрицы элементов 10a-10c согласно варианту осуществления преобразователя 135, имеющего форму тороида. В этом неограничительном примере преобразовательный диск 135 имеет наружный диаметр примерно 80 мм и внутренний диаметр (центрального отверстия) примерно 25 мм, что обеспечивает приблизительно 90 круглых элементов, имеющих диаметр 6 мм. Согласно варианту осуществления, представленному на фиг. 8A, были измерены следующие емкость и импедансы: C=182.8 нФ на 1 кГц, и Z=2.46-28.57 i Ом на 30 кГц, 3.75-16.79 i Ом на 60 кГц, и 0.44-10.84 i Ом на 100 кГц.
[077] Фиг. 8B схематически демонстрирует, как планарные матрицы элементов 10a-10c могут располагаться в другом варианте осуществления преобразователя 235, имеющего центральное отверстие. В этом неограничительном примере преобразовательный диск 235 имеет больший наружный диаметр примерно 92 мм и внутренний диаметр примерно 30 мм. Эта конструкция обеспечивает планарную матрицу из приблизительно 132 круглых элементов, имеющих диаметр 6 мм. Согласно варианту осуществления, представленному на фиг. 8B, были измерены следующие емкость и импедансы: C=268.1 нФ на 1 кГц, и Z=1.67-19.48 i Ом на 30 кГц, 2.56-11.44 i Ом на 60 кГц, и 0.30-7.39 i Ом на 100 кГц.
[078] Варианты осуществления, представленные на фиг. 7, 8A и 8B, были испытаны в модели излучаемого поля давления (поля II) для непрерывной синусоидальной волны 1 В, а величина поля вычислена для представляющего интерес объема 300 на трех разных частотах (30 кГц, 60 кГц и 100 Гц). Результаты изображены на фиг. 9, 10 и 11, соответственно. На каждом из фиг. 9, 10 и 11 представляющий интерес акустический объем 300 проиллюстрирован прямоугольником в крайней правой панели. Представляющий интерес акустический объем 300 для этих испытаний является практически цилиндрическим пространством приблизительно 40 мм в диаметре, проходящим между примерно 40 мм и примерно 160 мм от поверхности преобразовательного устройства. Предполагается, что такой представляющий интерес объем обеспечит диапазон излучения ультразвуковой волны, который может подходить для внешнего акустического передатчика, используемого совместно с имплантированным датчиком с ультразвуковым возбуждением. Данные, представленные на фиг. 9, 10 и 11, демонстрируют ультразвуковое поле, генерируемое преобразователем для вариантов осуществления на испытанных частотах. Величина ультразвуковых волн на каждой из трех частот представлена цветом согласно линейке справа от каждой диаграммы. Диаметр ультразвуковых волн на каждой из трех частот представлен на оси x.
[079] Фиг. 9 демонстрирует пространственное распределение поля (картину пучка) ультразвуковых волн 30 кГц, 60 кГц и 100 кГц, соответственно, излучаемых из преобразовательного устройства 130 на фиг. 7. Фиг. 9 демонстрирует, что на всех трех частотах, ультразвуковые волны значительной величины (примерно 5 дБ) достигают представляющего интерес акустического поля.
[080] Фиг. 10 демонстрирует пространственное распределение поля (картину пучка) ультразвуковых волн 30 кГц, 60 кГц и 100 кГц, соответственно, излучаемых из преобразовательного устройства 135 на фиг. 8A. Фиг. 10 демонстрирует, что на всех трех частотах, ультразвуковые волны значительной величины (примерно 5 дБ) достигают представляющего интерес акустического поля.
[081] Фиг. 11 демонстрирует пространственное распределение поля (картину пучка) ультразвуковых волн 30 кГц, 60 кГц и 100 кГц, соответственно, излучаемых из преобразовательного устройства 235 с фиг. 8B. Фиг. 11 демонстрирует, что на всех трех частотах, ультразвуковые волны значительной величины (примерно 5 дБ) достигают представляющего интерес акустического поля. Сравнение фиг. 11 и 10 демонстрирует, как число элементов в планарной матрице, хотя и по диску большого диаметра, влияет на передачу акустического поля.
[082] Эффективность устройства можно повысить за счет конкретной конструкции перегородочного слоя, поддерживающего слоя и согласующего слоя.
[083] Согласующий слой используется не только для предотвращения электрического контакта с телом пациента, но и для акустического согласования передатчика с окружающей средой измерений, например, тканями тела, для максимизации переноса энергии. Таким образом, предпочтительно, чтобы согласующий слой (не показан) имел примерно такой же акустический импеданс, как у любой среды, через которую нужно передавать ультразвуковые волны. Согласование акустического импеданса таким способом позволяет минимизировать отражение, преломление и рассеяние ультразвуковых волн, отправляемых и принимаемых от преобразовательного устройства. Таким образом, например, в областях применения, где передатчик излучает и/или принимает ультразвуковые волны через мягкие ткани тела, согласующий слой может иметь примерно акустический импеданс, сходный с одним или более из воды, ткани и крови, например, в диапазоне 1,5-1,54 Мрейл или в диапазоне примерно от 1,2 до 1,72 Мрейл или примерно от 0,18 до 1,72 Мрейл. Определение акустического импеданса окружающей среды, в которой предполагается использовать преобразователь, известно в уровне техники. Согласующий слой не требуется, однако он полезен для гашения возможного резонанса, который может возникать вследствие акустических взаимодействий между элементами.
[084] Согласующий слой, который может быть выполнен из твердых или мягких полимерных материалов, известных в уровне технике, также может включать в себя электрическую изоляцию и обеспечивать ослабление акустических взаимодействий между элементами. Неограничительные примеры таких твердых или мягких полимерных материалов включают в себя порошкообразные силиконовые составы, эластомеры и другие подходящие составы, имеющие надлежащий акустический импеданс. Силиконовый нанопорошок имеет акустический импеданс примерно 1,48 Мрейл. Согласующий слой также полезен в качестве поверхности, которая контактирует, например, с кожей, применительно к медицинской диагностике. Для таких применений может быть желательной надлежащая биологическая совместимость. Специалисту в области техники известно, как выбирать надлежащие материалы для конкретных целей, например, инертные материалы, если устройство подлежит использованию в коррозийной окружающей среде.
[085] Сравнение мягких и твердых полимерных материалов, имеющих одинаковые акустические характеристики (пластмасс и резины), с использованием модели МКЭ выявило тот факт, что твердые материалы не столь предпочтительны, как мягкие материалы, поскольку им свойственно оказывать влияние на изгибные колебательные моды элементов. Мягкие материалы, демонстрирующие акустическое поведение, более свойственное текучим средам, давали более высокие результаты. Согласующий слой, содержащий биологически совместимый состав на основе силиконового нанопорошка и имеющий акустический импеданс примерно 1,48 Мрейл, продемонстрировал очень низкие потери акустической энергии. Толщина согласующего слоя может составлять от 1 до 20 мм.
[086] Конструкцию преобразовательного устройства, обеспечивающую надлежащую комбинацию структур и материалов перегородочного слоя и поддерживающего слоя, можно использовать для направления энергии акустических волн и, таким образом, ограничения потерь акустической энергии. Поддерживающего слой не только обеспечивает механическую опору и ограничение пластины для преобразователя, но и может быть выполнен с возможностью поглощения и гашения обратно излучаемой энергии, т.е. акустической волны, распространяющейся в направлении, противоположном направлению, которое предусмотрено проходящим к фронтальной поверхности устройства. Конкретная конструкция поддерживающего слоя может влиять на форму полосы частот пропускания преобразовательного устройства. Различные комбинации материалов и вертикальной высоты можно использовать для достижения требуемых характеристик поддерживающего слоя с учетом следующих параметров: доступного пространства, требований к широкополосному возбуждению и электрических соединений. Неограничительные примеры материалов перегородочного слоя и поддерживающего слоя могут включать в себя, например, латунь и пластмассы. Неограничительные иллюстративные пластмассы включают в себя эпоксидную смолу и эпоксидную смолу с вольфрамовым наполнением.
[087] Различные комбинации структур перегородочного слоя и поддерживающего слоя можно использовать в соответствии с изобретением для достижения требуемого результата. В одном варианте осуществления преобразовательное устройство содержит высокий перегородочный слой, и полость открыта, т.е. поддерживающего слоя не существует. В другом варианте осуществления устройство может содержать короткий перегородочный слой и высокий поддерживающий слой; в таких вариантах осуществления, которые включают в себя поддерживающий слой, полость изолирована, т.е. закрыта. В еще одном варианте осуществления, имеющем закрытую полость, устройство может содержать высокий перегородочный слой и короткий поддерживающий слой. Для поддержания низкопрофильного и легкого устройства акустический передатчик в целом может иметь толщину меньше 15 мм, например, 10 мм или 11 мм. Таким образом, высокие слои могут составлять порядка 8-10 мм, короткие слои могут составлять порядка 1-2 мм. Другие комбинации высот и материалов могут использоваться в зависимости от конкретного применения и могут определяться специалистом в данной области техники на основании настоящего описания.
[088] Одноэлементные прототипы иллюстративных комбинаций некоторых из вышеупомянутых структурных конструкций и материалов были созданы и испытаны, результаты чего проиллюстрированы на фиг. 12 и 13A-D.
[089] Фиг. 12 демонстрирует моделируемую на основе МКЭ чувствительность к передаче простой структурной конструкции, содержащей высокий перегородочный слой и не содержащий поддерживающего слоя, как изображено на фиг. 2B. В этом варианте осуществления преобразовательного устройства перегородочный слой содержит латунь и имеет высоту перегородочного слоя примерно 10 мм. Чувствительность к передаче неизменна в полосе работы, однако существует подъем на высокой частоте. Возможно изменение картины излучения на определенных частотах вследствие радиальных мод перегородочной структуры, которые могут возбуждаться чистой высотой напора на поверхности преобразователя в ходе эксплуатации.
[090] Фиг. 13A-D изображают моделируемую на основе МКЭ чувствительность к передаче варианта осуществления структурной конструкции, имеющей короткий перегородочный слой и высокий поддерживающий слой и различные комбинации материала.
[091] Фиг. 13A демонстрирует данные из варианта осуществления элемента, в котором перегородочный и поддерживающий слои выполнены из одного и того же материала, латуни, как изображено на фиг. 2C. Высота перегородочного слоя составляет примерно 1 мм, а высота поддерживающего слоя составляет примерно 10 мм. Эксплуатационные показатели этой комбинации хороши, а чувствительность к передаче неизменна. Вследствие возбуждения радиальных мод подложки согласно этому варианту осуществления, возможно изменение картины излучения на определенных частотах.
[092] Фиг. 13B демонстрирует данные из варианта осуществления элемента, в котором перегородочный и поддерживающий слои выполнены из разных материалов. Перегородочный слой содержит латунь, а поддерживающий слой содержит эпоксидную смолу с вольфрамовым наполнением. Аналогично устройству, показанному на фиг. 2C, в этом варианте осуществления высота перегородочного слоя составляет примерно 1 мм и высота поддерживающего слоя составляет примерно 10 мм. Чувствительность к передаче в этом варианте осуществления значительно изменяется.
[093] Фиг. 13C демонстрирует данные из второго варианта осуществления элемента, в котором перегородочный и поддерживающий слои выполнены из одного и того же материала - эпоксидной смолы с вольфрамовым наполнением. Высота перегородочного слоя составляет примерно 1 мм, а высота поддерживающего слоя составляет примерно 10 мм.
[094] Фиг. 13D демонстрирует данные из второго варианта осуществления элемента, в котором перегородка и подложка выполнены из разных материалов. Перегородочный слой содержит эпоксидную смолу с вольфрамовым наполнением, а поддерживающий слой содержит латунь. В этом варианте осуществления высота перегородочного слоя составляет примерно 1 мм, а высота поддерживающего слоя составляет примерно 10 мм. В этом варианте осуществления чувствительность к передаче изменяется, но пик на более высоких частотах может полезно увеличивать ширину полосы. Радиальные моды латунной подложки с низкими потерями позволяют изменять картину излучения на определенных частотах.
[095] Специалисту в области техники понятно, что конкретная конструкция каждого элемента в матрице будет зависеть от конкретной используемой частоты. Когда подлежит использованию широкий диапазон частот, сложнее получить конкретную конструкцию, которая будет работать на всех частотах. Было обнаружено, что комбинация короткого перегородочного слоя и высокого поддерживающего слоя, изготовленных из одного и того же материала, дает высокую (85%) эффективность для широкого диапазона частот, как описано ниже.
[096] Другой аспект изобретения относится к процессу изготовления преобразовательного устройства. Фиг. 14A-P схематически демонстрируют один вариант осуществления способа изготовления преобразовательного устройства в соответствии с изобретением, изображая поперечное сечение структур на примере двух элементов. Специалист в области техники может распространить такой способ на многоэлементное устройство, имеющее матрицу из 80-150 двухслойных блоков, например, описанных выше, с использованием приведенного здесь описания. В целом пьезоэлектрические диски и перегородочный слой сформированы как один узел, где один пьезоэлектрический диск располагается в центре каждого отверстия перегородочного слоя. Изгибная пластина сформирована как отдельный второй узел. Затем два узла объединяются путем присоединения перегородочного слоя и пьезоэлектрических дисков к изгибной пластине.
[097] Как показано на фиг. 14A, вакуумный держатель 400, содержащий множество расположенных рядом элементов 400a-c вакуумного держателя, сначала располагают на плоской поверхности. Элементы 400a-c вакуумного держателя равномерно разнесены друг от друга. Затем выставляющий инструмент 401, содержащий множество отверстий между контактными участками 401a-c, располагают поверх каждого из элементов 400a-c вакуумного держателя, причем каждое из отверстий выставляющего инструмента имеет диаметр. Контактный участок 401a выставляют с и центрируют на элементе 400a вакуумного держателя, контактный участок 401b выставляют с и центрируют на элементе 400b вакуумного держателя и т.д., как показано на фиг. 14B. После того, как выставляющий инструмент 401 установлен в положение, множество пьезоэлектрических дисков 412a-b располагают на элементах 400a-c вакуумного держателя между контактными участками 401a-c выставляющего инструмента 401, как показано на фиг. 14C. Выставляющий инструмент 401 используют для размещения матрицы пьезоэлектрических дисков 412a, 412b. Поэтому расстояние между краями контактных участков 401a-c выставляющего инструмента (диаметр отверстия) будет примерно эквивалентно диаметру пьезоэлектрических дисков 412a-b, благодаря чему пьезоэлектрические диски 412a-b охватывают диаметр отверстий выставляющего инструмента и закрывают зазоры между элементами 400a-c вакуумного держателя, как изображено на фиг. 14C. Для удерживания пьезоэлектрических дисков 412a, 412b на элементах 400a-c вакуумного держателя применяют вакуум, а затем выставляющий инструмент 401 удаляют. Фиг. 14D демонстрирует пьезоэлектрические диски 412a-b, расположенные в требуемой матрице, покоящимися на элементах 400a-c вакуумного держателя после удаления выставляющего инструмента. Перегородочный слой 413, имеющий первую поверхность, вторую поверхность, диаметр и множество отверстий, затем располагают на вакуумном держателе 400, благодаря чему пьезоэлектрические диски 412a-b центрируются в отверстиях перегородочного слоя между перегородками 413a-c, а первая поверхность перегородочного слоя 413 контактирует с вакуумным держателем 400 для формирования множества множество полостей 415a, 415b, как изображено на фиг. 14E. После полости 415a, 415b заполняют отверждаемым полимером 402 до высоты перегородок 413a-c, как показано на фиг. 14F. Неограничительные примеры отверждаемого полимера 402 включают в себя RTV кремний или любой полимер, который не прилипает к металлам, пластмассам и пьезокерамикам. Предпочтительно, отверждаемый полимер застывает и отверждается при сравнительно низкой температуре. Затем заполненные полости закрывают плоским инструментом 403, как показано на фиг. 14G, и начинается процесс отверждения. После отверждения полимера 402 и девакуумирования вакуумный держатель 400 может быть удален, как показано на фиг. 14H. На этом изготовление первого узла 405 завершают.
[098] Для подготовки второго узла, как показано на фиг. 14I, пластинодержатель 406 располагают на плоской поверхности. Изгибная пластина 411, имеющая первую поверхность, вторую поверхность и диаметр, располагается на пластинодержателе 406, как показано на фиг. 14J. Затем на всю первую поверхность изгибной пластины 411 наносят адгезив 407, как показано на фиг. 14K. На этом изготовление второго узла 408 завершают. Затем первый узел 405 располагают на втором узле 408, благодаря чему первая поверхность перегородочного слоя 413 контактирует с адгезивом 407 на первой поверхности изгибной пластины 411, как показано на фиг. 14L. Затем адгезив 407 отверждается, благодаря чему первый узел 405 присоединяется ко второму узлу 408, т.е. для приклеивания перегородочного слоя 413 и матрицы пьезоэлектрических дисков 412a-b к изгибной пластине 411 и формирования многоэлементной матрицы. Плоский инструмент 403 удаляют, как показано на фиг. 14M. Отверждаемый полимер 402 удаляют, как показано на фиг. 14N. Затем пластинодержатель 406 удаляют, как показано на фиг. 14O. Наконец, как показано на фиг. 14P, электрические провода 420a-c могут быть затем присоединены к каждому из пьезоэлектрических дисков 412 со стороны полости и ко второй поверхности изгибной пластины 411, например, посредством пайки. На этом изготовление многоэлементного преобразователя 410, содержащего планарную матрицу пьезоэлектрических элементов, в соответствии с изобретением для варианта осуществления, не имеющего поддерживающего слоя, завершают.
[099] Затем согласующий слой может быть присоединен к изгибной пластине для формирования нового ультразвукового передатчика по настоящему изобретению, предназначенного для испускания ультразвуковой энергии в окружающую среду, например, тело. Если используется поддерживающий слой, его можно обрезать для согласования диаметра перегородочного слоя и присоединения к перегородочному слою после завершения матрицы элементов (фиг. 14P) или до добавления перегородочного слоя к первому узлу. В последнем случае полости, образованные узлом перегородочного слоя и поддерживающего слоя, могут заполняться RTV кремнием до этапа (фиг. 14E). Поддерживающий слой может быть объединен согласно варианту осуществления с согласующим слоем или без него. При совместном использовании поддерживающего слоя и согласующего слоя согласующий слой служит для гашения «поверхностных мод» и предотвращения акустических перекрестных помех между элементами, что может изменять частотную характеристику передачи устройства в погружном состоянии.
[0100] Таким образом, в одном варианте осуществления способ согласно изобретению может содержать: размещение на плоской поверхности вакуумного держателя, содержащего множество равномерно разнесенных отверстий; размещение выставляющего инструмента на упомянутом множестве вакуумного держателя, причем упомянутый держатель для выставления содержит множество равномерно разнесенных отверстий одинакового размера; использование упомянутого выставляющего инструмента для установления матрицы пьезоэлектрических дисков на упомянутых элементах для удерживания вакуумом по отверстиям упомянутого вакуумного держателя и равномерного разнесения каждого из упомянутых пьезоэлектрических дисков друг от друга; причем каждый из упомянутых пьезоэлектрических дисков имеет чуть меньший диаметр, чем соответствующий диаметр отверстия выставляющего инструмента, чтобы сделать возможной посадку упомянутого пьезоэлектрического диска в упомянутом соответствующем отверстии выставляющего инструмента; создание вакуума через упомянутый вакуумный держатель и удаление упомянутого выставляющего инструмента; размещение перегородочного слоя, имеющего первую поверхность, вторую поверхность и диаметр, на упомянутом вакуумном держателе так, что упомянутая первая поверхность контактирует с упомянутым вакуумным держателем, причем упомянутый перегородочный слой содержит множество отверстий в матрице, соответствующей упомянутой матрице пьезоэлектрических дисков, причем диаметры отверстий упомянутого перегородочного слоя больше диаметра упомянутого пьезоэлектрического диска, причем упомянутый перегородочный слой имеет вертикальную высоту для образования множества полостей, соответствующих упомянутому множеству отверстий перегородочного слоя; заполнение упомянутого множества полостей отверждаемым полимерным наполнителем; закрывание упомянутых заполненных полостей плоским инструментом; отверждение упомянутого отверждаемого полимера; снятие упомянутого вакуума; удаление упомянутого вакуумного держателя для формирования первого узла; отдельно обеспечение пластинодержателя и размещение на упомянутом пластинодержателе изгибной пластины, имеющей первую поверхность, вторую поверхность и диаметр, эквивалентный диаметру упомянутого перегородочного слоя; нанесение отверждаемого адгезива на упомянутую первую поверхность упомянутой изгибной пластины для закрывания упомянутой первой поверхности упомянутой изгибной пластины и для формирования второго узла; размещение упомянутого первого узла на упомянутом втором узле, так что упомянутая первая поверхность упомянутого перегородочного слоя контактирует с упомянутым адгезивом на упомянутой первой поверхности упомянутой изгибной пластины; отверждение упомянутого адгезива; удаление упомянутого плоского инструмента; удаление упомянутого отвержденного полимерного наполнителя; и удаление упомянутого пластинодержателя. Способ может дополнительно содержать приклеивание согласующего слоя к упомянутой второй поверхности упомянутой изгибной пластины. Кроме того, способ может содержать приклеивание поддерживающего слоя к упомянутой второй поверхности упомянутого перегородочного слоя.
[0101] Наблюдались эффекты второго порядка в системе, например, эффекты подъема и, в результате, снижение чувствительности и/или полосы, связанное с адгезивом. Например, существуют упругие ограничения, обусловленные адгезией между изгибной пластиной и перегородочным слоем и пьезоэлектрическими дисками. Кроме того, толщина адгезива может составлять примерно 10-50 мкм и может влиять на чувствительность к передаче.
[0102] Специалистам в области техники очевидно, что можно вносить многочисленные изменения, добавления, модификации, и другие применения в то, что конкретно показано и описано в настоящем посредством вариантов осуществления, не выходя за рамки сущности или объема изобретения. Поэтому предполагается, что объем изобретения, определяемый нижеследующей формулой изобретения, включает в себя все предвидимые изменения, добавления, модификации или применения.
1. Многоэлементный электроакустический преобразователь, содержащий:
изгибную пластину;
множество пьезоэлектрических дисков, причем упомянутые пьезоэлектрические диски размещены в планарной матрице на упомянутой изгибной пластине и присоединены к ней, причем каждый из упомянутых пьезоэлектрических дисков и изгибная пластина образуют двухслойный блок; и
перегородочный слой, содержащий множество перегородок, образующих множество отверстий, причем упомянутый перегородочный слой присоединен к упомянутой изгибной пластине;
причем каждый из упомянутого множества пьезоэлектрических дисков центрирован в каждом из упомянутого множества отверстий, а упомянутые перегородки образуют стенки множества двухслойных электроакустических элементов.
2. Преобразователь по п. 1, причем упомянутая изгибная пластина и пьезоэлектрический диск каждого двухслойного блока имеют сходные механические характеристики и сходную вертикальную высоту.
3. Преобразователь по п. 1, причем упомянутая изгибная пластина выбрана из группы, состоящей из: углеродистой стали, нержавеющей стали, оксида алюминия, кремния и стекла.
4. Преобразователь по п. 1 или 2, причем каждый из упомянутого множества пьезоэлектрических дисков содержит керамику ЦТС.
5. Преобразователь по п. 4, причем упомянутая керамика ЦТС выбрана из группы мягких керамик ЦТС, состоящих из PZT5A и PZT5H.
6. Преобразователь по п. 4, причем упомянутая керамика ЦТС выбрана из группы твердых керамик ЦТС, выбранных из группы, состоящей из PZT4, PZT7A и PZT8.
7. Преобразователь по любому из пп. 1-6, дополнительно содержащий согласующий слой на первой стороне, прилегающей к упомянутой изгибной пластине.
8. Преобразователь по любому из пп. 1-7, дополнительно содержащий поддерживающий слой на второй стороне, прилегающей к упомянутому перегородочному слою.
9. Преобразователь по любому из пп. 1-8, причем каждый из упомянутого множества пьезоэлектрических дисков имеет идентичный размер и имеет форму, выбранную из группы, состоящей из: шестиугольной, круглой и квадратной.
10. Преобразователь по любому из пп. 1-9, причем упомянутая изгибная пластина имеет форму сплошного круглого диска.
11. Преобразователь по любому из пп. 1-9, причем упомянутая изгибная пластина имеет форму кольца тороидальной формы, имеющего центральное отверстие.
12. Преобразователь по п. 10 или 11, причем упомянутая изгибная пластина имеет диаметр примерно 80 мм.
13. Преобразователь по п. 11, причем упомянутая изгибная пластина имеет диаметр примерно 120 мм.
14. Преобразователь по любому из пп. 1-13, причем упомянутый преобразователь является многочастотным преобразователем.
15. Способ изготовления многоэлементного электроакустического преобразователя, содержащий:
a) размещение на плоской поверхности вакуумного держателя, содержащего множество равномерно разнесенных отверстий;
b) выставление матрицы пьезоэлектрических дисков по упомянутым отверстиям вакуумного держателя для равномерного разнесения каждого из упомянутых пьезоэлектрических дисков друг от друга;
c) создание вакуума через упомянутый вакуумный держатель;
d) размещение перегородочного слоя, имеющего первую поверхность, вторую поверхность и диаметр, на упомянутом вакуумном держателе так, что упомянутая первая поверхность контактирует с упомянутым вакуумным держателем, причем упомянутый перегородочный слой содержит множество отверстий в матрице, соответствующей упомянутой матрице пьезоэлектрических дисков, диаметры отверстий упомянутого перегородочного слоя больше диаметра упомянутого пьезоэлектрического диска, а упомянутый перегородочный слой имеет вертикальную высоту для образования множества полостей, соответствующих упомянутому множеству отверстий перегородочного слоя;
e) заполнение упомянутого множества полостей отверждаемым полимерным наполнителем;
f) закрывание упомянутых заполненных полостей плоским инструментом;
g) отверждение упомянутого отверждаемого полимера;
h) снятие упомянутого вакуума;
i) удаление упомянутого вакуумного держателя для формирования первого узла;
j) отдельно обеспечение пластинодержателя и размещение на упомянутом пластинодержателе изгибной пластины, имеющей первую поверхность, вторую поверхность и диаметр, эквивалентный диаметру упомянутого перегородочного слоя;
k) нанесение отверждаемого адгезива на упомянутую первую поверхность упомянутой изгибной пластины для закрывания упомянутой первой поверхности упомянутой изгибной пластины и для формирования второго узла;
l) размещение упомянутого первого узла на упомянутом втором узле, так что упомянутая первая поверхность упомянутого перегородочного слоя контактирует с упомянутым адгезивом на упомянутой первой поверхности упомянутой изгибной пластины;
m) отверждение упомянутого адгезива;
n) удаление упомянутого плоского инструмента;
o) удаление упомянутого отвержденного полимерного наполнителя; и
p) удаление упомянутого пластинодержателя.
16. Способ по п. 15, дополнительно содержащий:
размещение выставляющего инструмента на упомянутом множестве вакуумного держателя, причем упомянутый держатель для выставления содержит множество равномерно разнесенных отверстий одинакового размера; и
удаление упомянутого выставляющего инструмента после упомянутого этапа создания;
причем упомянутый этап выставления дополнительно включает в себя использование упомянутого выставляющего инструмента для установки упомянутой матрицы пьезоэлектрических дисков по отверстиям упомянутого вакуумного держателя на упомянутом вакуумном держателе, причем каждый из упомянутых пьезоэлектрических дисков имеет чуть меньший диаметр, чем соответствующий диаметр отверстия выставляющего инструмента, чтобы сделать возможной посадку упомянутого пьезоэлектрического диска в упомянутом соответствующем отверстии выставляющего инструмента.
17. Способ по п. 15 или 16, дополнительно содержащий присоединение проводов к упомянутой изгибной пластине и упомянутому множеству пьезоэлектрических дисков.
18. Способ по п. 17, дополнительно содержащий приклеивание согласующего слоя к упомянутой второй поверхности упомянутой изгибной пластины.
19. Способ по п. 17 или 18, дополнительно содержащий приклеивание поддерживающего слоя к упомянутой второй поверхности упомянутого перегородочного слоя.
20. Преобразователь по любому из пп. 1-14, причем упомянутая изгибная пластина имеет планарную геометрическую форму.
21. Преобразователь по любому из пп. 1-14 или 20, причем каждый элемент многоэлементного электроакустического преобразователя является независимо возбуждаемым.
22. Преобразователь по любому из пп. 1-14 или 20, причем любое число элементов многоэлементного электроакустического преобразователя возбуждается совместно друг с другом.
