Page 177 - 《应用声学》2022年第3期

第 41 卷 第 3 期 陈燕等： 厚度模压电超声换能器无源声学材料研究进展 499

距为 8d，并且具有较高的透射率。Lopes等 [61] 设计 Li 等 [64] 提出了一种可变焦距的液体声透镜，
了一个直径为 8.2λ 的球形聚焦声透镜。在 1 MHz 用于6 MHz的超声换能器。通过改变注入液体的体
的工作频率下，超声波能量能获得 14.4 dB 的增益， 积，实现声透镜的焦距变化。当液体体积由 0 增加
旁瓣低于 −10 dB。Xia 等 [62] 设计了一种同心圆环 到700 µL时，焦距由24 mm减少到13 mm。表6 给
阵列的水下平面声透镜，声透镜厚度可以保持在 出了不同规格的声透镜性能参数。
1.25λ。将环氧树脂同心圆环阵列夹在两个相同硅
胶圆环之间。通过改变环氧树脂圆环和硅胶圆环的
ࣱ᭧ฉ
厚度比，可以实现 0 ∼ 2π 之间径向位移。Xia 等设
计的单焦点和双焦点声透镜都具有较高的透射率。
在 0.5 MHz 的工作频率下，测得单焦点声透镜的焦
x
距为 15 mm(6.25λ)，能量增益为 7.5 dB，焦点的半 y
峰全宽 (Full width at half maximum, FWHM) 为 z
0.9λ，能量透射率达到 83%；双焦点声透镜焦距分
别为 12.1 mm(5.04λ) 和 38 mm(15.83λ)，能量增益
为5.1 dB和5.6 dB，焦点的半峰全宽(FWHM)分别
为0.766λ和0.883λ。Chen等 [63] 设计了一种深亚波 (a) ᡔ᛫᭧ᤩ᪫ፇ౞ᇨਓڏ (b) ᡔ᛫᭧ᤩ᪫ིྟ
长同心槽阵列超表面透镜，如图 8 所示。其焦距为 图 8 超表面透镜结构示意图及照片 [63]
45 mm (3.0λ)，焦点尺寸为 19 mm (1.27λ)，带宽范 Fig. 8 Schematic diagram and photo of metaface
围为95 ∼ 125 kHz。 lens [63]

表 6 不同规格声透镜性能参数
Table 6 Performance parameters of acoustic lens of different specifications

透镜类型 频率/MHz 焦距/mm 焦点尺寸/mm 增益/dB
非周期性圆柱声透镜 [58] 0.075 ∼ 0.125 2.5 3.12(0.75λ)
同心圆环声透镜 [62] 0.5 15(6.25λ) 7.5
不同宽度的同心槽声透镜 [63] 0.095 ∼ 0.125 45(3.0λ) 19(1.27λ)

3.2 高频超声换能器(>15 MHz)声透镜 混合液) 的方法替代了传统机械研磨法加工了硅

高频超声换能器具有较高的分辨率，但是频 基声透镜，制备出工作距离短、无边缘回波和较
率越高，声透镜所造成的灵敏度损失就越大。高 高信噪比的 500 MHz 硅声透镜超声换能器，其焦
频声透镜通常选用硬度较高的蓝宝石材料 (声速＞ 点的直径为 3.7 µm，景深为 31 µm。该声透镜的
◦
10000 m/s，声阻抗约为 40 MRayl) [4] 。蓝宝石声透 曲率半径为 125 µm，孔径角为 60 。Fei 等 [68] 用化
镜目前多被用于高频超声显微镜，用于观察材料的 学湿法刻蚀技术制备了硅透镜 (声速 ∼ 8430 m/s；
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内部缺陷和细胞、切片组织的表征。但是蓝宝石透 密度 ∼ 2340 kg/m ，声阻抗 ∼ 19.8 MRayl)，用于
镜存在价格昂贵、难加工等问题，学者们在研究蓝 330 MHz 的氧化锌超声换能器，实现了聚苯乙烯微
宝石透镜的同时，也开展其他材料研究来制备高频 球(粒径5 µm)的操控。
声透镜。 采用声透镜实现超声波聚焦，能有效提高超
Lee 等 [65] 制作了 200 MHz 的氧化锌超声换能 声治疗和成像的效果，但是频率越高，声衰减会
器，匹配了焦距为 0.5 mm 的蓝宝石声透镜。Ra- 越严重。随着增材制造和微机电系统等技术的发
hayu 等 [66] 用中心频率为 320 MHz 超声换能器观 展，将会给声透镜的设计与性能优化提供了新的
察小鼠乳腺肿瘤的上皮肿瘤细胞。该换能器也采 思路。此外，开展基于声场反演的声学透镜的理论
用蓝宝石透镜，其半孔径角为 60°，孔径半径为 设计及研究制备工作将会有助于提高超声换能器
0.25 mm。Rohrbach 等 [67] 用刻蚀 (氢氟酸和硝酸 性能。