CN105139847A - 一种增强的声学聚焦装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强的声学聚焦装置，包括信号源、导线、电声换能器和半封闭空间结构，半封闭空间结构由空腔、电声换能器和由弧面及在弧面上阵列分布多个通孔的凹曲面组成，各通孔的中心轴线相交于同一焦点,半封闭空间结构通过通孔和外界连通，半封闭空间结构属于Helmholtz共振器结构，其各个尺寸参数根据Helmholtz共振器的结构参数特征设计；弧面上各通孔的位置和方向由通孔的个数、弧面上通孔的阵列分布方式和焦点到凹曲面顶点的距离确定；半封闭空间结构的共振频率、电声换能器的工作频率和凹曲面聚焦声波的频率相等。利用Helmholtz共振器的声压放大原理和多通孔的凹曲面聚焦方式实现增强的声学聚焦功能。

Description

一种增强的声学聚焦装置

技术领域

本发明属于声信号强化及声能聚焦的技术领域，具体来说，涉及一种增强的声学聚焦装置。

背景技术

声学聚焦技术可以将声能聚集到焦点，实现焦点处的声压幅度、质点振动速度幅度和声功率达到最大值。声学聚焦技术广泛应用在声学颗粒悬浮或迁移、声学显示设备、医学超声检测和超声手术等领域。目前传统的声聚焦装置通常利用环形阵列布置的多个电声换能器单元实现电信号和声信号的转变进而根据环形构造产生声学聚焦效果，或者利用声学透镜达到对平面声束聚焦的目的。

对于环形阵列布置的多个电声换能器而言，在声学聚焦装置的制作、维护过程中由于换能器阵列的阵元数量较大，难以满足聚焦装置中多个部件整体实现最佳耦合的条件，同时也给维护和更换合适的部件增加了困难；而在使用过程中，相比单个换能器的聚焦装置，多个换能器无疑会增加电声转换过程中的电功消耗。另外，在装置的实际制作过程中，由于结构制作存在的不可控因素(如机械运行状态的不稳定性、材料不同位置物性的非等同性等)，任意两个电声换能器的结构不可能完全相同，因而不可能产生完全相同的声波，也就难以产生理想的声聚焦效果。

对于声学透镜而言，声学透镜的结构精度对声学透镜的制作过程要求很高，因此在透镜的制备中不能轻易达到足够的精度等级，无疑增加了制作过程的复杂性。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种增强的声学聚焦装置，利用Helmholtz共振器在共振频率条件下通过通孔向外界辐射高强度声波的功能，在弧面上设计环形阵列排列的多个通孔，实现增强的声学聚焦的功能。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种增强的声学聚焦装置，包括信号源和导线，其特征在于，包括电声换能器和半封闭空间结构；所述导线将信号源和电声换能器组成闭合回路；

所述半封闭空间结构包括空腔、电声换能器和凹曲面；按照凹曲面的中心轴线依次紧密串联凹曲面、空腔和电声换能器；

所述半封闭空间结构通过弧面上的n个通孔与外界相通，所述各通孔的孔壁光滑且与通孔中心轴线平行，所有的通孔中心轴线相交于同一焦点O；

所述电声换能器位于空腔的A1端接口处，所述凹曲面位于空腔的A2端接口处；

所述半封闭空间结构为Helmholtz共振器结构；

所述空腔的空腔最大横向截面的特征长度和空腔最大纵向截面的特征长度均小于聚焦声波的波长。

进一步的，凹曲面包括弧面，弧面上环形阵列分布n个通孔，其中，n取不小于3的整数。

进一步的，凹曲面是凹形的球面结构。

进一步的，凹曲面是抛物面结构。

进一步的，电声换能器的工作频率、半封闭空间结构的共振频率和凹曲面聚焦声波的频率相等。

有益效果：在半封闭空间结构内，电声换能器产生与Helmholtz共振器相同频率的声波，能够实现在Helmholtz共振器的共振放大作用下声波经弧面上环形阵列分布的各通孔朝着焦点处向外界辐射多束高强度的声波并在焦点处干涉，构成增强的声学聚焦效果。

1)利用Helmholtz共振器实现小振幅声波向大振幅声波的转换，因而在需要产生强聚焦效果时，可以减小电声换能器的电功消耗。

2)装置能够使用单个电声换能器，避免在多个电声换能器产生聚焦声波时，因电声换能器之间实际存在的结构差异而阻碍了各个电声换能器同时产生完全相同的声波。避免如多个电声换能器之间实际存在的电声转换效果差异。

3)装置能够使用单个电声换能器，避免在使用组合控制时带来的问题，如采用何种手段能够实现各电声换能器在电声转换时应该具有的同步，或者如何避免电信号传输到每个电声换能器时因多个回路之间的阻抗差异而存在的信号失谐。

4)相比多个电声换能器的聚焦装置，使用单个电声换能器能减少或避免多个换能器可能带来的过多电功消耗，并且减小装置因电声换能器损坏而出现故障的概率。

5)装置结构简单，便于制作和运行维护。

附图说明

图1是本发明的装置在n＝81时的一个二维剖面示意图。

图2是本发明的装置在n＝81时的装配示意图。

图3是本发明的装置在n＝81时的焦点和凹曲面顶点示意图。

图4是本发明的装置在n＝81时的球面形凹曲面的设计示意图。

图5是本发明的装置在n＝81时的半封闭空间结构的俯视示意图。

图6是本发明的装置在n＝81时的球面形凹曲面的局部三维示意图。

图7是本发明的装置在n＝81时的通孔位置以及通孔中心轴线方向示意图。

图8是本发明的一种2个焦点的声学聚焦示意图。

图9是本发明的一种扩张形空腔结构示意图。

图中：1-信号源，2-导线，3-电声换能器，4-空腔，41-空腔A1端接口，42-空腔A2端接口，43-扩张形空腔，44-空腔最大横向截面的特征长度，45-空腔最大纵向截面的特征长度，5-凹曲面，51-通孔，52-弧面，511-通孔孔壁，6-半封闭空间结构，7-装配定位线，71-电声换能器和空腔的装配方向，72-凹曲面和空腔的装配方向，8-焦点O，80-焦点的横向定位线，81-焦点O₁，82-焦点O₂，9-凹曲面的顶点P，91-顶点P的横向定位线，92-凹曲面中心轴线L，10-通孔中心轴线，101、102、103、104、105、106、107、108-第一、二、三、四、五、六、七、八通孔中心轴线，1011、1021、1071、1081-相交于焦点81的通孔中心轴线，1031、1041、1051、1061-相交于焦点81的通孔中心轴线，11-通孔中心轴线方向，111、112、113、114、115、116、117、118-第一、二、三、四、五、六、七、八通孔中心轴线方向，12-通孔孔径,13-第i个通孔到凹曲面中心轴线的距离R_i(i＝1,2,...8)，14-焦点O到顶点P的距离D。

具体实施方式

本发明提供一种增强的声学聚焦装置，包括信号源1和导线2，其特征在于，包括电声换能器3和半封闭空间结构6；所述导线2将信号源1和电声换能器3组成闭合回路；

所述半封闭空间结构6包括空腔4、电声换能器3和凹曲面5；按照凹曲面5的中心轴线依次紧密串联凹曲面5、空腔4和电声换能器3；

所述半封闭空间结构6通过弧面上的n个通孔51与外界相通，所述各通孔51的孔壁511光滑且与通孔中心轴线10平行，所有的通孔中心轴线10相交于同一焦点O；

所述电声换能器3位于空腔4的A1端接口41处，所述凹曲面5位于空腔4的A2端接口42处；

所述半封闭空间结构6为Helmholtz共振器结构；半封闭空间结构6内部的半封闭空间的空腔最大横向截面的特征长度44和空腔最大纵向截面的特征长度45均小于聚焦声波的波长。根据Helmholtz共振器的结构参数特征设计；

所述空腔4的空腔最大横向截面的特征长度44和空腔最大纵向截面的特征长度45小于聚焦声波的波长。

进一步的，凹曲面5包括弧面52，弧面52上环形阵列分布n个通孔51，其中，n取不小于3的整数。

进一步的，凹曲面5是凹形的球面结构。

进一步的，凹曲面5是抛物面结构。

进一步的，电声换能器3的工作频率、半封闭空间结构6的共振频率和凹曲面5聚焦声波的频率相等。

所述信号源1是具有调节输出功率功能的信号发生器,所述电声换能器3是电磁式或压电式电声换能器。

实施例：

本发明的一种增强的声学聚焦装置，包括信号源1、导线2、电声换能器3和半封闭空间结构6，所述半封闭空间结构6由空腔4、电声换能器3和凹曲面5按照凹曲面5的中心轴线依次紧密串联组成(如图2所示)，所述凹曲面5的弧面52上环形阵列分布n个通孔51，n取不小于3的整数(如图4、图5和图6所示，取n＝81)；所述半封闭空间结构6属于Helmholtz共振器结构，其尺寸参数根据Helmholtz共振器的结构参数特征设计；所述半封闭空间结构6通过弧面上的n个通孔51和外界相通，所述各通孔孔壁511光滑且与通孔中心轴线10平行，所述通孔中心轴线10相交于同一焦点O；所述电声换能器3位于空腔4的A1端接口41，所述凹曲面5位于空腔4的A2端接口42,所述空腔4的尺寸参数小于聚焦声波的波长；所述导线2将信号源1和电声换能器4组成闭合回路；所述电声换能器3的工作频率、半封闭空间结构6的共振频率和凹曲面5聚焦声波的频率相等。

所述凹曲面5可以是球面结构；根据通孔51的个数n、弧面上通孔阵列分布方式和从焦点O到凹曲面5顶点P的焦距线段OP的长度D设计弧面52上的各通孔51的中心轴线方向、各通孔51在凹曲面5上的位置。

所述凹曲面5是凹形的面结构,所述凹曲面5可以是抛物面结构。

所述信号源1是具有调节输出功率功能的信号发生器,所述电声换能器3是电磁式或压电式电声换能器。

本发明的一种增强的声学聚焦装置的工作原理和过程是：信号源1产生频率与半封闭空间结构6共振频率相等的电信号，激励位于半封闭空间结构6底部的电声换能器3产生同频率的小振幅声波，进而驱动半封闭空间结构6内的空气以相等的频率同步振动，激发通孔51内的空气柱在通孔51内进行强烈的往复运动，并以通孔51的中心轴线方向向外界辐射与通孔51同等数量的多束大振幅声波，在焦点O处相遇、干涉叠加后产生高能量的声能聚焦点。

如图3所示是焦点和凹曲面顶点示意图，所述焦点8是焦点定位线80与凹曲面中心轴线92的交点，所述凹曲面顶点9是凹曲面顶点的横向定位线91在凹曲面5上的切点，所述凹曲面的焦点8和凹曲面的顶点9同时位于凹曲面的中心轴线上。

所述弧面52上各通孔51的中心轴线相交于焦点O，根据弧面上通孔51的个数n和焦点O到凹曲面顶点P的距离D确定弧面52上各通孔51的位置和各通孔中心轴线方向。

本发明装置中电声换能器3的工作频率、凹曲面5聚焦声波的频率均和半封闭空间结构6的共振频率相等，该装置中半封闭空间结构6的各几何尺寸参数与频率的关系满足：

$f_e=f_f=f_0=\frac{c_0}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{{\mathrm{\πd}}_i}^2/4}{V\left(z+0.73\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{d}_i\right)}}$

式中f_e、f_f、f₀分别为电声换能器3的工作频率、凹曲面5聚焦声波的频率和半封闭空间结构6的共振频率。c₀为声速，d_i(i＝1,2,...n)为弧面上第i个通孔孔径(各个通孔的孔径相同)，n为弧面上通孔51的个数(n为整数，且n≥3)，V为半封闭空间结构6的内部容积，z为凹曲面5厚度。在装置的实际设计和运行中，要求f_e＝f_f＝f₀。

进一步，对于一个具体工程聚焦案例，聚焦声波的频率f_f和聚焦焦点位置为需要满足的工程聚焦需求，进而需要设计合适的装置结构。设计方法是，根据允许客观环境条件，拟定聚焦装置，进而可以确定本发明装置的焦距OP的长度D。在f_e＝f₀＝f_f的设计约束条件下,电声换能器的工作频率、半封闭空间结构的共振频率和凹曲面聚焦声波的频率为已知量。在预设定装置的弧面上的通孔个数n和阵列分布方式(如图1～7，n＝81，i＝1,2,...8)后，第i个通孔到凹曲面中心轴线的距离R_i(如图4，i＝1,2,...8)为已知量。弧面的厚度z由式z＝(2m+1)c₀/(2f₀)-D计算,其中m为整数且m≥0；弧面上各通孔中心轴线方向根据通孔中心轴线l_i与凹曲面中心轴线L的夹角θ_i $\left({\mathrm{\θ}}_i=arcsin\frac{R_i}{D}\right)$ 确定；根据约束条件 $f_e=f_f=f_0=\frac{c_0}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{{\mathrm{\πd}}_i}^2/4}{V(z+0.73\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{d}_i)}},$ 设计装置结构的各个尺寸参数。

进一步，对于另一个工程聚焦案例，当需求聚焦焦点和允许本发明聚焦装置能够所处的位置确定后，焦距OP的长度D为已知变量，需要设计合适的装置结构。在预设定装置的通孔个数n和通孔在弧面上的阵列分布方式后，(如图1～7，n＝81，i＝1,2,...8)后，第i个通孔到凹曲面中心轴线的距离R_i(如图4，i＝1,2,...8)为已知量，计算通孔中心轴线l_i与凹曲面中心轴线L的夹角θ_i 进而确定通孔中心轴线l_i。在预设定聚焦声波的频率f_f后，根据f_e＝f₀＝f_f确定电声换能器工作频率、凹曲面聚焦声波的频率和半封闭空间结构的共振频率；弧面的厚度z由式z＝(2m+1)c₀/(2f₀)-D计算,其中m为整数且m≥0；根据约束条件设计装置结构的各个尺寸参数。

进一步，如图8所示，是本发明的一种增强的声学聚焦装置产生2个聚焦点的一种实施例。所述弧面上各通孔的对应中心轴线分别相交于焦点81和82，即相交于焦点81的通孔中心轴线是1011、1021、1071、1081，相交于焦点82的通孔中心轴线是1031、1041、1051、1061。本发明装置在运行时，所述电声换能器的小振幅声波经半封闭空间结构6增强为多束大振幅声波，大振幅声波向外界辐射时，一部分声波按照通孔中心轴线(如1011、1021、1071、1081)的方向向焦点81处传播，另一部分声波按照通孔中心轴线(如1031、1041、1051、1061)的方向向焦点82处传播。分别汇聚在焦点81和焦点82处的声束经过相互干涉和叠加后在焦点81和焦点82处产生声学能量聚焦。进一步，根据此方法，本发明的一种增强型声学聚焦装置可以产生多个聚焦点。

进一步，如图9所示，是本发明的一种增强的声学聚焦装置的另一种实施例，所述凹曲面5、扩张形空腔43和电声换能器3按照凹曲面5的中心轴线方向依次紧密串联连接。所述扩张形空腔43为扩张结构的声通道并属于Helmholtz共振器结构，所述扩张形空腔43同时具有扩张形通道和Helmholtz共振器的特征。电声换能器3产生的小振幅声波经扩张形空腔43后增强为多束大振幅声波，在焦点8处相遇、干涉叠加后产生声能聚焦点。

Claims (5)

1.一种增强的声学聚焦装置，包括信号源(1)和导线(2)，其特征在于，包括电声换能器(3)和半封闭空间结构(6)；所述导线(2)将信号源(1)和电声换能器(3)组成闭合回路；

所述半封闭空间结构(6)包括空腔(4)、电声换能器(3)和凹曲面(5)；按照凹曲面(5)的中心轴线依次紧密串联凹曲面(5)、空腔(4)和电声换能器(3)；

所述半封闭空间结构(6)通过弧面上的n个通孔(51)与外界相通，所述各通孔(51)的孔壁(511)光滑且与通孔中心轴线(10)平行，所有的通孔中心轴线(10)相交于同一焦点(O)；

所述电声换能器(3)位于空腔(4)的A1端接口(41)处，所述凹曲面(5)位于空腔(4)的A2端接口(42)处；

所述半封闭空间结构(6)为Helmholtz共振器结构；

所述空腔(4)的空腔最大横向截面的特征长度(44)和空腔最大纵向截面的特征长度(45)均小于聚焦声波的波长。

2.如权利要求1所述的一种增强的声学聚焦装置，其特征在于，凹曲面(5)包括弧面(52)，弧面(52)上环形阵列分布n个通孔(51)，其中，n取不小于3的整数。

3.如权利要求2所述的一种增强的声学聚焦装置，其特征在于，所述凹曲面(5)是凹形的球面结构。

4.如权利要求2所述的一种增强的声学聚焦装置，其特征在于，所述凹曲面(5)是抛物面结构。

5.如权利要求1所述的一种增强的声学聚焦装置，其特征在于，所述电声换能器(3)的工作频率、半封闭空间结构(6)的共振频率和凹曲面(5)聚焦声波的频率相等。