TWI405955B

TWI405955B - 使用超音波探頭聲波匹配層以改變聲波頻率的方法

Info

Publication number: TWI405955B
Application number: TW098114939A
Authority: TW
Inventors: Tzong Lin Jay Shieh; Wen Shiang Chen; Chung Ting Ko; Chuin Shan Chen
Original assignee: Univ Nat Taiwan
Priority date: 2009-05-06
Filing date: 2009-05-06
Publication date: 2013-08-21
Also published as: US20100283355A1; TW201040508A; US8410664B2

Description

使用超音波探頭聲波匹配層以改變聲波頻率的方法

本發明係一種改變聲波頻率的方法，尤其係有關於一種使用超音波探頭聲波匹配層以改變聲波頻率的方法。

超音波探測器具有不破壞材料結構及人體細胞的特性，因而普遍地被應用於材料領域及臨床醫學檢測。通常所使用之超音波元件的主要發聲元件為鐵電陶瓷材料，但因其聲波阻抗值相較於水或是空氣相當的高，在材料與介質的介面上會伴隨著相當大的能量損失；所以需要藉助一層聲波匹配層來降低此巨大的阻抗值差異，以避免損失大量的能量在探頭與待測物之介面上，進而提升聲波傳輸的效率。

目前，高分子材料及高分子陶瓷複合材料或高分子金屬複合材料被廣泛的應用在製作聲波匹配層上，此一系列材料皆屬於被動材料。利用介於超音波元件與介質中間值的聲波阻抗值，大幅減低介面間聲波阻抗的不匹配並且提升能量的傳遞效率。

如今大部分聲波匹配層皆由高分子及陶瓷高分子複合材料或金屬高分子複合材料所組成，藉由陶瓷/金屬粉末與高分子不同比例混合，可依所需調整聲波匹配層之聲阻值(Z)，符合之數值，使實際輸出能量達最大值；並且，陶瓷/金屬高分子複合材料容易加工，可精準切削至所需之厚度(聲波在該材料內波長之四分之一)。因此，上述類型之聲波匹配層被廣泛的應用在探頭工業上。

例如美國專利編號第6989625號所示，聲波匹配層係由二氧化矽膠體凝固後所形成，且匹配層厚度為聲波在該材料內波長之四分之一。而美國專利編號第6969943號所揭示之聲波匹配層則由二氧化矽膠體或是氧化鋁膠體混合高分子所形成，且匹配層厚度為聲波在該材料內波長之四分之一。又美國專利編號第5418759號亦揭露另一種類型之聲波匹配層，其係由銅粉末混合環氧樹脂，且匹配層厚度為聲波在該材料內波長之四分之一。

然而，現有之聲波匹配層皆無法主動地過濾及調整聲波元件的輸出頻率，商用之超音波探頭皆為固定頻率輸出之探頭，而若需要輸出兩個不同頻率波源時，必須同時使用兩個超音波探頭並設法讓兩者在空間中產生共焦，但其焦點難以精準重合，增加使用上的困難。

本發明之使用超音波探頭聲波匹配層以改變聲波頻率的方法，係提供一種聲波匹配層，其具有可提供單一超音波探頭改變頻率的能力，藉以改變聲波頻率。

本發明之超音波探頭聲波匹配層可以採用陶瓷材料，複合材料，陶瓷高分子複合材料，壓電材料，壓電陶瓷材料，壓電高分子材料，氧化鋁與環氧樹脂之複合材料，金屬高分子複合材料，以及鋯鈦酸鉛陶瓷等各式材料。

本發明所提供之聲波匹配單元係由一個以上的超音波聲波匹配層所組成，利用該匹配層之主動濾波效果，調整聲波元件之輸出頻率，使聲波元件可輸出特定頻率之聲波或複合頻率聲波超音波。

本發明之聲波匹配單元，將原本寬頻探頭的輸出主動地過濾並合成成特定單一頻率之聲波或複合頻率聲波輸出，若採用極化鐵電壓電陶瓷材料作為此聲波匹配層，並且將上下電極相連接後，可獲得更窄頻之特定頻率之聲波或複合頻率聲波。

此外，本發明之聲波匹配單元可應用於非破壞性檢驗學，例如醫學上之診斷用超音波探頭，提供單一超音波探頭改變頻率的能力。低頻之聲波具有較長的波長，且有較高之穿透能力；高頻之聲波具有較短之波長，具有較高之辨解力。藉由此一複合頻率聲波，可提供一種具有高穿透力與高辨解力之聲波。

本發明之使用聲波匹配層以改變超音波探頭之聲波頻率的方法，將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解，並使得具有本技術領域之通常知識者可以據以完成之，然本發明之實施型態並不限制於下列實施例中。

於本發明之使用聲波匹配層以改變超音波探頭之聲波頻率的方法實施例中，係使用共振頻率為10MHz之超音波探頭做為聲波輸出來源，藉以測量單一之壓電匹配層與雙層匹配層之聲波輸出，而所使用之量測系統架構則分別如第1圖與第2圖所示。於第1圖中，包括水聽器11，壓電聲波匹配層12，以及10MHz超音波探頭13。而於第2圖中，包括了水聽器21，匹配層22，匹配層23，以及10MHz超音波探頭24。

第1實施例：

首先，選用經過工業級極化處理過的商用鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷圓板成品，而鋯鈦酸鉛陶瓷圓板之共振頻率分別為(A)1MHz、(B)2MHz、(C)3MHz、以及(D)5MHz。於本實施例中，稱此類PZT陶瓷圓板為「G型」壓電聲波匹配層。

接著，使用水聽器11(Hydrophone)在水中量測10MHz探頭13之原始波形與加上G型壓電聲波匹配層12之波形；其結果如第3A圖，第3B圖，第3C圖及第3D圖所示。原始寬頻之波形在加上G型壓電聲波匹配層12後，可依照鋯鈦酸鉛陶瓷圓板之共振頻率，形成特定頻率和該特定頻率高頻諧波之複合頻率聲波。亦或是將該G型壓電聲波匹配層12的厚度切削至該匹配層12之聲波在自身內波長的二分之一。

第2實施例

首先，選用經過工業級極化處理過的商用鋯鈦酸鉛陶瓷圓板成品，而鋯鈦酸鉛陶瓷圓板之共振頻率分別為(A)1MHz、(B)2MHz、(C)3MHz、以及(D)5MHz。再使用導電銀漆將鋯鈦酸鉛陶瓷圓板的上、下面電極相聯接，於本實施例中，稱此類鋯鈦酸鉛陶瓷圓板為「EC型」壓電聲波匹配層。

接著，利用水聽器11在水中量測10MHz探頭13之原始波形與加上EC型壓電聲波匹配層12之波形，得到之結果如第4A圖，第4B圖，第4C圖及第4D圖所示。原始寬頻之波形在加上EC型壓電聲波匹配層後，依照鋯鈦酸鉛陶瓷圓板之共振頻率，形成特定頻率和該特定頻率高頻諧波之複合頻率聲波。並且，相較於第1實施例之實測結果，大幅減低雜訊強度和窄化特定頻率和該特定頻率高頻諧波之頻寬。

第3實施例：

首先，選用未經任何極化處理的商用鋯鈦酸鉛陶瓷圓板成品，此類鋯鈦酸鉛陶瓷圓板不具壓電性質。而於本實施例中，稱此類鋯鈦酸鉛陶瓷圓板為「U型」聲波匹配層。

使用精密切割機，將U型聲波匹配層的厚度切削至2MHz聲波在自身內波長的二分之一，續將切削好的U型聲波匹配層形成為聲波匹配層22(亦或是形成為匹配層23)，以形成本發明之雙層聲波匹配層，猶如第2圖所示。

接著，透過水聽器21在水中量測10MHz探頭之原始波形與加上U型聲波匹配層之波形，其量測結果如第5圖所示。而由第5圖中可看出，原始寬頻之波形在加上U型聲波匹配層後，依照U型聲波匹配層之厚度，形成特定頻率和該特定頻率高頻諧波之複合頻率聲波。

第4實施例：

首先，將氧化鋁(Al₂ O₃ )粉末混合重量百分比為5wt%聚氯乙烯粉末(聚氯乙烯可作為黏結劑)，將上述混合粉末加入酒精，放置PE塑膠瓶內，利用氧化鋯磨球當媒介，以行星式磨球機球磨24小時後成漿料。

其次，利用減壓乾燥方法將漿料內的酒精移除，並將形成的粉體放置烘箱，以攝氏80至120度，經24小時進行乾燥。取出乾燥的粉體利用研缽加以研磨，透過100目的篩網過篩。將過篩後的粉體以攝氏80至120度，經過24小時進行乾燥。乾燥後的粉體以乾壓方式成形為直徑2.5公分的圓碇試片，所施加的乾壓壓力為3.5MPa。

將先前製備之圓碇試片置於高溫爐中，在空氣氣氛下進行均勻高溫燒結，其燒結條件為：升溫速率每分鐘攝氏10度，持溫在攝氏1600度下1小時後爐冷。所燒結後的氧化鋁試片，於本實施例中稱為「A型」聲波匹配層。

接著使用精密切割機及砂紙，將A型聲波匹配層的厚度切削至2MHz聲波在自身內波長的二分之一，續將切削好的A型聲波匹配層形成為聲波匹配層22(亦或是形成為匹配層23)，以形成本實施例之雙層聲波匹配層，猶如第2圖所示。

利用水聽器21在水中量測10MHz探頭之原始波形與加上A型聲波匹配層之波形，所得到之量測結果如第6圖所示。原始寬頻之波形在加上A型聲波匹配層後，依照A型聲波匹配層之厚度，形成特定頻率和該特定頻率高頻諧波之複合頻率聲波。

第5實施例：

首先將氧化鋁(Al₂ O₃ )粉末混合體積百分比為20vol%的聚氯乙烯粉末(聚氯乙烯為孔洞成形劑)，將前述混合粉末加入酒精，放置PE瓶內，利用氧化鋯磨球當媒介，以行星式磨球機球磨24小時後成漿料。

接著利用減壓乾燥方法將漿料內的酒精移除，並將形成的粉體放置烘箱，以攝氏80至120度，經24小時進行乾燥。取出乾燥的粉體利用研缽加以研磨，透過100目的篩網過篩。過篩後的粉體以攝氏80至120度，再次經過24小時進行乾燥。乾燥後的粉體以乾壓方式成形為直徑2.5公分的圓碇試片，所施加的乾壓壓力為3.5MPa。

再將圓碇試片置於高溫爐中，在空氣氣氛下進行均勻高溫燒結，其燒結條件為：升溫速率每分鐘攝氏10度C，持溫在攝氏1600度C下1小時後爐冷。燒結後的氧化鋁試片呈現多孔狀。

在多孔氧化鋁試片的孔洞內灌入環氧樹脂(Epoxy)，並讓其完全固化，形成陶瓷高分子複合材料；於本實施例中被稱為「A-E複合型」聲波匹配層。

跟著使用精密切割機及砂紙，切削A-E複合型聲波匹配層，使其具有特定厚度；該特定厚度成為特徵聲波(2MHz聲波)在聲波匹配層自身內，所具有之波長的二分之一。續將切削好的A-E複合型聲波匹配層形成為聲波匹配層22(亦或是形成為匹配層23)，以形成本實施例所採用之雙層聲波匹配層，架構猶如第2圖所示。

利用水聽器21在水中量測10MHz探頭之原始波形與加上A-E複合型聲波匹配層之波形，其量測結果如第7圖所示。原始寬頻之波形在加上A-E複合型聲波匹配層後，依照A-E複合型聲波匹配層之厚度，形成特定頻率和該特定頻率高頻諧波之複合頻率聲波。

故而，一種使用聲波匹配層以改變超音波之聲波頻率的方法，包含了：形成聲波匹配層，切削該聲波匹配層，使其具有特定厚度；該特定厚度為特徵聲波在該聲波匹配層自身內，所具有之波長的二分之一，以及裝入該聲波匹配層於超音波探頭裝置，藉以改變超音波之聲波頻率。

本發明之一種超音波探頭裝置，包含了超音波探測裝置，以及聲波匹配層裝設於該超音波探測裝置內，該聲波匹配層具有特定厚度；該特定厚度為特徵聲波在該聲波匹配層自身內，所具有之波長的二分之一。

此外，本發明之可使用於超音波探頭的聲波匹配層可以採用壓電材料，壓電陶瓷材料，壓電高分子材料，壓電複合材料，陶瓷材料，複合材料，陶瓷高分子複合材料，氧化鋁與環氧樹脂之複合材料，金屬高分子複合材料，以及鋯鈦酸鉛陶瓷等各式材料。

綜上所述，本發明之使用聲波匹配層以改變超音波探頭聲波頻率的方法，係提供由一個以上之可置換的聲波匹配層所組成，且該聲波匹配層經切削後，使其具有特定厚度；該特定厚度為特徵聲波在該聲波匹配層自身內，所具有之波長的二分之一。利用不同匹配層之主動濾波效果，調整聲波元件之輸出頻率，使聲波元件可輸出特定頻率之聲波或複合頻率聲波超音波。且將本發明之聲波匹配單元應用於超音波探頭，將可使超音波探頭同時輸出高頻與低頻之複合頻率超音波，因而同時具備高穿透力與高辨解力。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

11．．．水聽器

12‧‧‧壓電聲波匹配層

13‧‧‧10MHz超音波探頭

21‧‧‧水聽器

22‧‧‧聲波匹配層

23‧‧‧匹配層

24‧‧‧10MHz超音波探頭

第1圖係為本發明之壓電聲波匹配層量測系統示意圖。

第2圖係為本發明之雙層聲波匹配層量測系統示意圖。

第3A圖，第3B圖，第3C圖以及第3D圖係為使用水聽器在水中量測10MHz探頭原始之波形，加入本發明之一實施例的(A)1MHz、(B)2MHz、(C)3MHz、以及(D)5MHz之G型壓電聲波匹配層的波形圖。

第4A圖，第4B圖，第4C圖以及第4D圖係為使用水聽器在水中量測10MHz探頭原始之波形，加入本發明之一實施例的(A)1MHz、(B)2MHz、(C)3MHz、以及(D)5MHz之EC型壓電聲波匹配層的波形圖。

第5圖係為使用水聽器在水中量測10MHz探頭之原始波形，加入本發明之一實施例的U型聲波匹配層之波形圖。

第6圖係為使用水聽器在水中量測10MHz探頭之原始波形，加入本發明之一實施例的A型聲波匹配層之波形圖。

第7圖係為使用水聽器在水中量測10MHz探頭之原始波形，加入本發明之一實施例的A-E複合型聲波匹配層之波形圖。

11．．．水聽器

12．．．壓電聲波匹配層

13．．．10MHz超音波探頭

Claims

一種使用壓電聲波匹配層以改變超音波之聲波頻率的方法，該壓電聲波匹配層具有一特徵聲波在該聲波匹配層自身內，所具有之波長的二分之一厚度，至少包含：提供一超音波探頭裝置；形成一壓電聲波匹配層，該壓電聲波匹配層係使用一鋯鈦酸鉛陶瓷材料所製成，該鋯鈦酸鉛陶瓷材料之一共振頻率係由1MHz、2MHz、3MHz、以及5MHz群組中所選出，其中該聲波匹配層具有一特徵聲波在該聲波匹配層自身內，所具有之波長的二分之一厚度；以及裝入該壓電聲波匹配層於該超音波探頭裝置以改變該超音波之聲波頻率為一輸出波形，其中該輸出波形依照該壓電聲波匹配層之該共振頻率，形成一頻率和該頻率之高頻諧波之一複合頻率聲波。
一種使用壓電聲波匹配層的超音波裝置，該壓電聲波匹配層具有一特徵聲波在該聲波匹配層自身內，所具有之波長的二分之一厚度，至少包含：一超音波探頭裝置；一壓電聲波匹配層，該壓電聲波匹配層係使用一鋯鈦酸鉛陶瓷材料所製成，該鋯鈦酸鉛陶瓷材料之一共振頻率係由1MHz、2MHz、3MHz、以及5MHz群組中所選出，其中該聲波匹配層具有一特徵聲波在該聲波匹配層自身內，所具有之波長的二分之一厚度，該壓電聲波匹配層裝入該超音波探頭裝置以改變一聲波頻率為一輸出波形，其中該輸出波形依照該壓電聲波匹配層之一共振頻率，形成一頻率和該頻率之高頻諧波之一複合頻率聲波。