一种基于主动背衬结构的双侧探头

技术领域

本发明涉及超声检测技术领域，具体涉及一种基于主动背衬结构的双侧探头。

背景技术

随着新技术的不断出现与设备的不断更新，超声探头在无损检测、医学成像等领域的应用愈加广泛。传统的压电超声探头大体包括声透镜、匹配层、压电部、FPC电路板、背衬层等结构。

压电元件受到激励后，会同时产生正向和背向的超声信号，其中背向的超声信号一般为不必要的杂波。此外，一定中心频率的超声探头，其带宽越大，纵向分辨率就越小，成像质量越高。为了快速吸收衰减背向传递的杂波以保证超声信号的正向传输，也为了增大探头的工作带宽，通常会在压电元件背部施加一种声学材料称作背衬层。然而背衬层占据了探头的大部分体积，阻碍了探头的小型化。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于主动背衬结构的双侧探头，解决了传统的超声波探头背衬层占据了探头的大部分体积，阻碍了探头的小型化的问题，并在此基础上拓展了探头的适用场景。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括粘合的两个压电部，两个压电部的外端面分别设置有匹配层，两个所述压电部均为两块压电片，所述压电部中的两块压电片之间为电压施加面，所述压电部中的两块压电片互相远离的一面为接地面，且两个所述压电部中互相靠近的压电片之间的面为两者共同接地的接地面，向两个所述压电部施加电压时分别产生超声波信号，两个所述压电部相向的超声波信号互相衰减抵消，在不同频率段下可使用其中一个所述压电部的超声波信号进行检测。

优选的，所述压电部中的两块压电片的极化方向均为电压施加面向接地面。

优选的，两个所述压电部与匹配层横截面形状、大小均为一致。

优选的，两个所述压电部与匹配层集成设置于一壳体内。

优选的，两个所述压电部的厚度相等，所述压电部的厚度t为：

t＝N/f

其中，f为超声探头的中心频率，N为频率常数。

优选的，两个所述压电部厚度比为1:0.414。

优选的，所述压电片是由压电材料制成。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：

1、通过运用主动背衬结构，取缔了传统的背衬层结构，使得超声探头的体积缩小，实现了超声探头的小型化。

2、通过两个压电部所起作用的相互替代，增加了探头的工作面以及可工作频段，在具体应用上拓展了探头的适用场景。

附图说明

图1为实施例压电元件示意图；

图2为实施例中第四压电片的下端位移与第一压电片的上端位移的比值曲线；

图3为实施例中第四压电片的下端位移与第一压电片的上端位移的比值曲线以及第一压电片的上端位移与第四压电片的下端位移的比值曲线。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

本实施例提供了一种技术方案：一种基于主动背衬结构的双侧探头，如图1所示，包括两个压电部，两个压电部按所起作用的不同，可分为压电发射层和主动背衬层两部分，且两部分在不同频率段下的作用可相互替代。压电部由压电材料制成，例如：PZT系列压电陶瓷、石英、PVDF等，探头包含两个匹配层结构，两个匹配层结构分别位于两个压电部的端部，即上匹配层1与下匹配层2，无传统背衬层结构，两个压电部与匹配层集成设置于一壳体内，且压电部包括至少一层压电片，有两个工作面，可工作在多个频率段，其中：

压电发射层用于产生探头工作时检测用的超声波信号；

主动背衬层充当传统超声探头中的被动背衬层，其产生的超声波信号与压电发射层产生的背向杂波方向相反，因此可衰减抵消背向杂波，实现超声信号的正向传输；

匹配层结构为传统超声探头均具有的结构，该结构减轻了压电元件与传输介质之间巨大的阻抗不匹配，减少或消除声学失配，实现有效的能量传递。

两个压电部的厚度可根据理论公式和实际应用场景来确定，两个压电部的厚度可相等、两个压电部的厚度比为1:0.414或其他尺寸，即：

两个压电部的厚度相等时，根据理论公式计算，例如：对于中心频率为2MHz的压电片，选择厚度伸缩模态，对应的频率常数为2000，根据理论公式：t＝N/f，其中，t为压电片厚度；N为压电材料不同模态对应的频率常数；f为中心频率；可得该压电部厚度约为t＝2000/2MHz＝1mm；截面形状和面积根据实际应用场景来确定；

两个压电部的厚度比为1:0.414时，较厚的压电部为压电发射层时，压电发射层与主动背衬层的厚度比为1:0.414；较薄的压电部为压电发射层时，压电发射层与主动背衬层的厚度比为1:2.4。而传统背衬层的厚度一般为压电材料的3倍或以上，与之相比，主动背衬结构的应用显著缩小了探头总体的体积；

理论上，根据逆压电效应，作为主动背衬层的压电部厚度可以取任意值，而采用主动背衬结构的主要目的是为了实现超声探头的小型化，故作为主动背衬层的压电部厚度不会取特别大，在不考虑其他因素的最优条件下，作为主动背衬层的压电部厚度可以做到作为压电发射层的压电部厚度的0.414倍；同时，特定的厚度可以对相应中心频率的超声信号进行谐振加强，使换能器有最佳的声波能量透射效率。

两个压电部分别有两压电片，两个压电部的压电片分别为第一压电片13、第二压电片14、第三压电片15与第四压电片16；不同压电片可采用不同的参数，如：不同的厚度、不同的密度、不同的中心频率、不同的频率常数等等，无特殊限制，具体根据实际工作需要选定；为了让方案更加直观并方便阐述工作原理，本实施例中，四层压电片采用相同的参数。

其中第一压电片13与第二压电片14为一个电压部、第三压电片15与第四压电片16为一个电压部，多个压电片的极化方向依次相反(图中箭头代表各层的极化方向)。

第一压电片13与第二压电片14互相远离的一面、第三压电片15与第四压电片16互相远离的一面均分别为接地面，且第二压电片14与第三压电片15之间为两者的共同接地面19，第一压电片13的上侧与第四压电片16的下侧分别为第一单接地面17与第二单接地面111，第一压电片13与第二压电片14、第三压电片15与第四压电片16之间分别为第一电压施加面18与第二电压施加面110。

在本实施例中，向第一电压施加面18施加正电压(+150V)，向第二电压施加面110施加负电压(-59V)。根据逆压电效应，可以判断出第一压电片13与第二压电片14的机械振动方向和第三压电片15与第四压电片16始终相反，即产生的超声信号方向始终相反。通过此结构可保证主动背衬层产生的超声波能衰减抵消压电发射层产生的背向杂波，实现了超声信号的正向传输，起到了传统背衬层的作用，故将其称之为主动背衬结构。

图2给出了在图1所述参数下，0-2700kHz范围内，第四压电片16的下端位移与第一压电片13的上端位移(以下简称为下端位移、上端位移)的比值曲线。若将压第三压电片15与第四压电片16作主动背衬层，第一压电片13与第二压电片14作压电发射层，出于减小杂波影响的考虑，该位移比越小越好。若限定该压电元件工作时此位移比最大值为0.5，从图2中可看出：在0-1298kHz(粗实线部分)范围内，位移比＜0.5，满足工作要求。而在1298-2700kHz(细实线部分)范围内，位移比＞0.5，超出了限定的最大值，不满足工作要求。此时，在0-2700kHz范围内，探头的可工作频段仅为0-1298kHz。

图3给出了在图1所述参数下，1000-2700kHz范围内，下端位移与上端位移的比值曲线以及上端位移与下端位移的比值曲线，两比值互为倒数。当下端位移与上端位移的比值＞2时，则上端位移与下端位移的比值＜0.5。限定位移比的最大值为0.5保持不变，此时若将第一压电片13与第二压电片14作主动背衬层，第三压电片15与第四压电片16作压电发射层，从图3中可看出：在1618-2043kHz(粗虚线部分)范围内，上端位移与下端位移的比值＜0.5，满足工作要求。而在1000-1618kHz以及2043-2700kHz(细虚线部分)范围内，上端位移与下端位移的比值＞0.5，超出了限定的最大值，不满足工作要求。此时，在1000-2700kHz范围内，探头的可工作频段仅为1618-2043kHz。

由此可得：当探头需要工作在0-1298kHz范围时，将第三压电片15与第四压电片16作主动背衬层，第一压电片13与第二压电片14作压电发射层，上匹配层1一侧为检测方向，第四压电片16下端位移与第一压电片13的上端位移的位移比＜0.5，即第四压电片16所在的充当主动背衬层的压电部所产生的杂波信号远小于第一压电片13所在的充当压电发射层的压电部所产生的工作用超声波信号，不会影响作为压电发射层的压电部进行检测作业；而当探头需要工作在1618-2043kHz范围时，则将第一压电片13与第二压电片14作主动背衬层，第三压电片15与第四压电片16作压电发射层，下匹配层2一侧为检测方向，第一压电片13的上端位移与第四压电片16下端位移的位移比＜0.5，即第一压电片13所在的充当主动背衬层的压电部所产生的杂波信号远小于第四压电片16所在的充当压电发射层的压电部所产生的工作用超声波信号，不会影响作为压电发射层的压电部进行检测作业。如此，可使探头在两个频率段下都满足工作要求。这便是利用两电压部所起作用的相互替代来增加探头工作频段及工作面的合理体现，显示出基于主动背衬结构的多层双侧超声探头的优越性。

综上所述，两个工作面分别位于超声探头的两端，当探头在不同频率段工作时，充当压电发射层的压电部不同，对应的匹配层不同，检测的方向不同，所采用的工作面也不同，由于本实施例中选择的频率段范围受限，故两个工作面分别仅展示出可检测的一段频率段。因此可通过运用主动背衬结构，并在不同频率段下使两压电部所起作用相互替代，不仅增加了探头的工作频段，同时也增加了探头的工作面，极大的拓展了探头的适用场景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。