一种高强度聚焦超声换能器及聚焦方法

技术领域

本发明涉及超声换能器技术领域，更具体地说，本发明涉及一种高强度聚焦超声换能器及聚焦方法。

背景技术

超声波聚焦换能器的应用非常广泛，并在医学、美容、地质、工业、量测等领域中得到了广泛应用；在市场上，越来越多的超声波聚焦换能器被开发出来。

在雾化器领域中，传统的雾化器一般利用超声波的振动效果进行雾化，因此需要将精油加水稀释后才可以雾化并且只能将精油在表面进行雾化，而加水稀释后的精油容易变质，若是对变质后的精油进行雾化，会影响人体健康；而不加水稀释的精油属于粘稠度高的液体，对这种液体的雾化效果较差，为了将粘稠度高的液体雾化，有必要开发一种聚焦型的换能器来雾化粘稠度高的液体，能在不添加水的条件下雾化精油，以达到较好的雾化效果；并且，这种聚焦型换能器也能够应用在医学领域，应用于高强度的聚焦治疗。因此，有必要提出一种高强度聚焦超声换能器及聚焦方法，以至少部分地解决现有技术中存在的问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为至少部分地解决上述问题，本发明提供了一种高强度聚焦超声换能器，包括：聚焦陶瓷片，其一侧为凹面且相对的另一侧为凸面；所述聚焦陶瓷片为曲面结构或瓦片状结构；

所述聚焦陶瓷片为凹面的一侧设有声透镜，或者，所述聚焦陶瓷片设置在外壳内。

优选的是，所述声透镜与聚焦陶瓷片连接的一侧为凸面，声透镜的另一侧为平面。

优选的是，所述声透镜为金属材料、塑料或无机非金属材料中的一种。

优选的是，所述聚焦陶瓷片的凹面与外壳之间的介质作为透镜使用。

优选的是，所述聚焦陶瓷片采用曲面结构时，外壳为圆筒形，外壳的材料选用橡胶材料或塑料。

优选的是，所述聚焦陶瓷片采用瓦片状结构时，外壳为矩形框，外壳的材料选用塑料或金属材料。

优选的是，沿所述聚焦陶瓷片的弧形截面的对称中心线将聚焦陶瓷片划分成多个弧形单元，每个弧形单元均对应一个超声波发射单元；多个弧形单元的曲率均相同，或者多个弧形单元的曲率不同。

优选的是，其中，对所述聚焦陶瓷片的多个弧形单元的结构进行优化，包括：

确定弧形单元的设计参数，其中，所述弧形单元的设计参数包括每个弧形单元外弧面的水平宽度和竖直高度；

设定遗传算法参数，并随机生成初始种群；其中，遗传算法参数包括种群大小、个体大小、交叉概率、变异概率和最大迭代次数；

将随机生成的初始种群输入预先构建的聚焦陶瓷片的有限元模型中，并进行有限元仿真数值模拟；

依据聚焦陶瓷片的结构构建与超声波聚焦相关的目标函数，通过有限元仿真数值模拟求解目标函数；

利用目标函数的求解结果计算适应度，然后利用适应度判断迭代次数是否满足中止条件，若否，则通过遗传算法的优化进行选择、变异和交叉生成新的种群再次输入至预先构建的聚焦陶瓷片的有限元模型中继续迭代，若是，则输出优化后的设计参数。

一种高强度聚焦超声换能器的聚焦方法，包括：

依据待超声主体的类型，预测超声波聚焦时焦点处的最小超声波强度；

判断最小超声波强度是否能对待超声主体起到预设效果，若否，则依据待超声主体达到预设效果所需的目标超声波强度，对超声波发射单元的输出功率进行调节，以使最小超声波强度达到目标超声波强度，并以对应的超声波发射单元的输出功率为工作时的最小输出功率；若是，则以超声波发射单元设定的最小输出功率为工作时的最小输出功率。

优选的是，若最小超声波强度能对待超声主体起到预设效果，则继续确定焦点在待超声主体中的位置信息；

依据焦点在待超声主体中的位置信息，确定待超声主体的最小液位信息；

依据待超声主体的最小液位信息，设定待超声主体的初始液位信息，以使待超声主体能够雾化；

确定焦点在待超声主体中的位置信息，包括：

使超声波发射单元向待超声主体中发射脉冲式的超声波，并同时通过超声波接收单元接收超声波的脉冲信号；

通过控制单元依据接收到的超声波的脉冲信号的平均幅值确定焦点是否在待超声主体中，若是，则能够确定焦点在待超声主体中的位置信息，若否，则使待超声主体的液位升高，再确定焦点在待超声主体中的位置信息。

优选的是，依据待超声主体的类型，预测超声波聚焦时焦点处的最小超声波强度，包括：

预先获得超声波在多种类型的待超声主体中聚焦时，每种待超声主体的超声波衰减参数以及超声波能够穿过的距离；

其中，应用在雾化领域时，待超声主体为精油或水等液体，超声波衰减参数以及超声波能够穿过的距离，与待超声主体的材料特性和其中所含气泡量相关；

应用在医疗领域时，待超声主体为人体皮肤，超声波衰减参数以及超声波能够穿过的距离，与人的年龄相关；

依据待超声主体的超声波衰减参数和超声波能够穿过的距离确定焦点处的最小超声波强度；

将获取的各个类型的待超声主体所对应的焦点处的最小超声波强度进行存储。

相比现有技术，本发明至少包括以下有益效果：

本发明所述的高强度聚焦超声换能器及聚焦方法，应用在医疗领域时，例如美容仪，可将声透镜平面的一侧与皮肤表面贴合，聚焦的焦点则作用于皮肤里侧，达到美容和治疗的效果；与现有技术不同的是，现有的美容仪中的超声换能器结构相对复杂，而本发明中的超声换能器的结构简单，不需要另外设置与皮肤贴合的结构，直接采用声透镜或填充在外壳中的耦合剂与皮肤贴合即可，减少超声波的衰减，达到更好的聚焦效果，降低医疗仪器的工作功率；

应用在雾化领域时，能够实现对精油等粘稠度较高的液体进行雾化，改变声透镜的高度能够适应于不同液位高度的液体，并且，雾化过程环保安全，防止精油等液体加水稀释后变质而对人体产生影响；本发明的超声换能器结构简单，灵活易用；

通过聚焦方法，能够依据不同的待超声主体设定超声波发射单元的最小输出功率，从而降低聚焦超声换能器的工作功率，达到节能的目的，实现更精准的档位调节。

本发明所述的高强度聚焦超声换能器及聚焦方法，本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明所述的高强度聚焦超声换能器中聚焦陶瓷片为曲面结构时与声透镜的连接结构示意图；

图2为本发明所述的高强度聚焦超声换能器中聚焦陶瓷片为曲面结构时与声透镜的分解结构示意图；

图3为本发明所述的高强度聚焦超声换能器中聚焦陶瓷片为瓦片状结构时与声透镜的连接结构示意图；

图4为本发明所述的高强度聚焦超声换能器中聚焦陶瓷片为瓦片状结构时与声透镜的分解结构示意图；

图5为本发明所述的高强度聚焦超声换能器中聚焦陶瓷片为曲面结构时与圆筒形壳体的连接结构示意图；

图6为本发明所述的高强度聚焦超声换能器中聚焦陶瓷片为曲面结构时与圆筒形壳体的剖面结构示意图；

图7为本发明所述的高强度聚焦超声换能器中聚焦陶瓷片为瓦片状结构时与矩形框的连接结构示意图；

图8为本发明所述的高强度聚焦超声换能器中聚焦陶瓷片为瓦片状结构时与矩形框的剖面结构示意图；

图9为本发明所述的高强度聚焦超声换能器中聚焦陶瓷片的弧形单元的剖面结构示意图；

图10为本发明所述的高强度聚焦超声换能器中焦点以及与焦点相邻位置处的坐标示意图；

图11为本发明所述的高强度聚焦超声换能器的聚焦方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1-图8所示，本发明提供了一种高强度聚焦超声换能器，包括：聚焦陶瓷片1，其一侧为凹面且相对的另一侧为凸面；所述聚焦陶瓷片1为曲面结构或瓦片状结构；

所述聚焦陶瓷片1为凹面的一侧设有声透镜2，或者，所述聚焦陶瓷片1设置在外壳内。

声波从聚焦陶瓷片1凸面的一侧射入，并从起其凹面的一侧射出而聚焦，使得声波在某一点处产生很高的热量和超声强度；应用在雾化领域时，其聚焦区域在长度方向上较长，这样，在雾化时，聚焦的热量和超声强度能够作用于液体内部，不局限于液体的表面，使得液体雾化，有利于高浓度精油的雾化；

如图2和图4所示，进一步地，所述声透镜2与聚焦陶瓷片1连接的一侧为凸面，声透镜2的另一侧为平面。

应用在医疗领域时，例如美容仪，可将声透镜2平面的一侧与皮肤表面贴合，聚焦的焦点则作用于皮肤里侧，达到美容的效果；与现有技术不同的是，现有的美容仪中的超声换能器结构相对复杂，而本发明中的超声换能器的结构简单，不需要另外设置与皮肤贴合的结构，直接采用同样具备聚焦功能的声透镜2与皮肤贴合即可，减少超声波的衰减，达到更好的聚焦效果，降低医疗仪器的工作功率。

进一步地，所述声透镜2为金属材料、塑料或无机非金属材料中的一种。

选择在聚焦陶瓷片1为凹面的一侧设置声透镜2时，声透镜2与聚焦陶瓷片1共同实现声波的聚焦，并且改变声透镜2的高度能够使得焦点的位置发生变化，从而在雾化不同液位高度的液体时，可以选用适合高度的声透镜2；

并且，通过改变声透镜2的高度，能够调整焦点作用于皮肤里层的深度，从而达到更好的美容效果。

进一步地，所述聚焦陶瓷片1的凹面与外壳之间的介质作为声透镜使用。

选择将聚焦陶瓷片1设置在外壳内时，外壳用于固定聚焦陶瓷片1；

在雾化领域应用时，在对液体进行雾化时，外壳和聚焦陶瓷片1凹面的一侧形成的空间内会有液体(介质)充入，从而作为透镜使用，起到聚焦的作用；

在医疗领域应用时，在外壳和聚焦陶瓷片1凹面的一侧形成的空间内会注入耦合剂(护肤品等介质，例如精华)，通过耦合剂与皮肤贴合，使耦合剂作为透镜使用，起到聚焦的作用；

通过改变声透镜2的高度，或者，改变聚焦陶瓷片1的凹面与外壳端面之间的距离，能够改变聚焦后焦点的位置；

在作为美容产品使用时，能够采用较为简单的结构，实现更好的聚焦效果，并且便于改变焦点的位置，使用更加灵活，达到更好的美容效果；

在雾化时，能够适应于不同液位高度的液体，能够实现对精油等粘稠度较高的液体进行雾化，并且，雾化过程环保安全，防止精油等液体加水稀释后变质而对人体产生影响；本发明的超声换能器结构简单，灵活易用。

如图5和图6所示，在一个实施例中，所述聚焦陶瓷片1采用曲面结构时，外壳为圆筒形壳体3A，外壳的材料选用橡胶材料或塑料。

聚焦陶瓷片1和圆筒形壳体3A可采用粘结或卡接的方式连接，聚焦陶瓷片1的凹面一侧与圆筒形壳体3A的侧壁能够形成空间区域，以使充入其中的介质作为透镜(类似于如图2所示的声透镜2)使用。

如图7和图8所示，在一个实施例中，所述聚焦陶瓷片1采用瓦片状结构时，外壳为矩形框3B，外壳的材料选用塑料或金属材料。

聚焦陶瓷片1与矩形框3B可采用粘结或卡接的方式连接，聚焦陶瓷片1的凹面一侧与矩形框3B的侧壁能够形成空间区域，以使充入其中的介质作为透镜(类似于如图4所示的声透镜2)使用。

如图9所示，在一个实施例中，沿所述聚焦陶瓷片1的弧形截面的对称中心线将聚焦陶瓷片1划分成多个弧形单元110，每个弧形单元110均对应一个超声波发射单元；多个弧形单元110的曲率均相同，或者多个弧形单元110的曲率不同。

其中，对所述聚焦陶瓷片1的多个弧形单元110的结构进行优化，包括：

确定弧形单元110的设计参数，其中，所述弧形单元110的设计参数包括每个弧形单元110外弧面的水平宽度和竖直高度(水平宽度指如图9所示水平方向，截面处的外弧面左右两端的最大宽度；竖直高度指如图9所示竖直方向，截面处的外弧面上下两端的高度)；

设定遗传算法参数，并随机生成初始种群；其中，遗传算法参数包括种群大小、个体大小、交叉概率、变异概率和最大迭代次数；

将随机生成初始种群输入预先构建的聚焦陶瓷片1的有限元模型中，并进行有限元仿真数值模拟；

依据聚焦陶瓷片1的结构构建与超声波聚焦相关的目标函数，通过有限元仿真数值模拟求解目标函数；

利用目标函数的求解结果计算适应度，然后利用适应度判断迭代次数是否满足中止条件，若否，则通过遗传算法的优化进行选择、交叉和变异，生成新的种群再次输入至预先构建的聚焦陶瓷片1的有限元模型中继续迭代，若是，则输出优化后的设计参数；

如图10所示，其中，遗传算法迭代过程中的目标函数为：

F

F

其中，F

其中，声压的平方与声强成正比例关系，因此以声压的平方为目标函数进行求解，即可获得声强。

为了提升聚焦陶瓷片1的焦点处的超声波强度，以降低超声波发射单元的输出功率，采用有限元模型和遗传算法对聚焦陶瓷片1的结构进行了优化，以优化在自动聚焦时焦点处的超声波强度，弱化焦点旁边的超声波强度，提高焦点处的超声波强度，从而能够降低超声波发射单元的输出功率；

在进行结构优化时，需约束聚焦陶瓷片1的凸面和凹面均为平滑的结构面，约束聚焦陶瓷片1的弧形截面的竖直高度范围和水平宽度范围，并约束每个弧形单元110的水平宽度和竖直高度的范围；利用遗传算法对多个弧形单元110进行优化迭代，并以聚焦的焦点处的超声波强度参数和与焦点相邻位置处的超声波强度参数作为目标函数，以使焦点处的超声波强度最大，与焦点相距预设距离的相邻位置处的超声波强度弱化，从而使得实际超声波发射单元的输出功率降低。

如图11所示，一种高强度聚焦超声换能器的聚焦方法，包括：

S1、依据待超声主体的类型，预测超声波聚焦时焦点处的最小超声波强度；

S2、判断最小超声波强度是否能对待超声主体起到预设效果，若否，则依据待超声主体达到预设效果所需的目标超声波强度，对超声波发射单元的输出功率进行调节，以使最小超声波强度达到目标超声波强度，并以对应的超声波发射单元的输出功率为工作时的最小输出功率；若是，则以超声波发射单元设定的最小输出功率为工作时的最小输出功率。

其中，应用在雾化领域时，待超声主体为精油或水等液体，则预设效果即为产生雾化效果；应用在医疗领域时，待超声主体为人体皮肤，则预设效果即为对人体皮肤起到相应的美容作用，例如使皮肤紧致等。

由于超声波在不同的介质中的传播存在较大差异并存在损耗，因此，在不同的待超声主体中，聚焦超声换能器聚焦的焦点处的强度存在差异；所以采用上述方法，依据待超声主体的类型，并在超声波发射单元以设定的最小输出功率工作的情况下，来预测超声波聚焦时焦点处的最小超声波强度，以判断超声波发射单元以设定的最小输出功率工作时，能否使待超声主体达到预设效果；

若能够使待超声主体达到预设效果，则表明在超声波发射单元工作时的任意输出功率下，均能够正常工作；若不能够使待超声主体达到预设效果，则表明超声波发射单元以设定的最小输出功率工作时，不能够正常使用(即不能产生雾化效果或不能够达到紧致皮肤的目的)，因此，需要对超声波发射单元的输出功率进行调节，使焦点处达到目标超声波强度，并将此时的超声波发射单元的输出功率记为工作时的最小输出功率，则进行雾化工作或美容时，调节雾化量大小或者调节美容仪工作强度时，超声波发射单元的输出功率不能低于工作时的最小输出功率；

通过上述设置，能够依据不同的待超声主体设定超声波发射单元工作时的最小输出功率，从而降低聚焦超声换能器的工作功率，达到节能的目的，实现更精准的档位调节。

在一个实施例中，依据待超声主体的类型，预测超声波聚焦时焦点处的最小超声波强度，包括：

预先获得超声波在多种类型的待超声主体中聚焦时，每种待超声主体的超声波衰减参数以及超声波能够穿过的距离；其中，超声波衰减参数以及超声波能够穿过的距离，与待超声主体的材料特性和其中所含气泡量相关；

依据待超声主体的超声波衰减参数和超声波能够穿过的距离确定焦点处的最小超声波强度；

将获取的各个类型的待超声主体所对应的焦点处的最小超声波强度进行存储。

其中，应用在雾化领域时，待超声主体为精油或水等液体，超声波衰减参数以及超声波能够穿过的距离，与待超声主体的材料特性和其中所含气泡量相关；

应用在医疗领域时，待超声主体为人体皮肤，超声波衰减参数以及超声波能够穿过的距离，与人的年龄相关。

在对待超声主体进行作用前，可预先调取与待超声主体类型对应的焦点处的最小超声波强度，即上述的预测过程；

待超声主体的类型在雾化领域，即为精油或水等；

在医疗领域即为不同年龄段的人的皮肤；

待超声主体类型对应的焦点处的最小超声波强度，与超声波在该主体中的衰减参数以及能够穿过的距离相关，从而在以最小输出功率工作时，能够获得聚焦超声换能器在每种类型的待超声主体中聚焦的焦点处的最小超声波强度，并进行存储，这样便可在工作时直接调取，从而依据待超声主体的类型，预测超声波聚焦时焦点处的最小超声波强度。

在一个实施例中，基于上述聚焦方法应用在雾化领域时，若最小超声波强度能对待超声主体起到预设效果，则继续确定焦点在待超声主体中的位置信息；

依据焦点在待超声主体中的位置信息，确定待超声主体的最小液位信息；

依据待超声主体的最小液位信息，设定待超声主体的初始液位信息，以使待超声主体能够雾化；

确定焦点在待超声主体中的位置信息，包括：

使超声波发射单元向待超声主体中发射脉冲式的超声波，并同时通过超声波接收单元接收超声波的脉冲信号；

通过控制单元依据接收到的超声波的脉冲信号的平均幅值确定焦点是否在待超声主体中，若是，则能够确定焦点在待超声主体中的位置信息，若否，则使待超声主体的液位升高，再确定焦点在待超声主体中的位置信息。

另外，由于超声波在不同的介质中折射率也存在差异，所以聚焦时的焦点位置也存在差异，需依据焦点在待超声主体中的位置信息，以获得待超声主体的最小液位信息(即最小液位高度)，这样，在进行雾化时，将待超声主体的最小液位信息作为添加液体的极限高度，来提醒人们向盛装待超声主体的容器中添加液体，以保证雾化正常进行；

并且，还能够确定待超声主体的初始液位信息，以防止初始液位高度与最小液位高度相距过小，从而需要频繁的添加液体，进一步能够提升使用体验。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节与这里示出与描述的图例。