[发明专利]具有超构表面声透镜的环形超声换能器及优化设计方法

权利要求书

1.一种具有超构表面声透镜的环形超声换能器，其特征在于，所述换能器包括中心开孔且附加声学人工结构的声透镜、匹配层、压电晶片和换能器底座，所述声透镜、匹配层、压电晶片和换能器底座从上到下依次粘接在一起，并且在中心开孔内设有探头设备。

2.根据权利要求1所述的一种具有超构表面声透镜的环形超声换能器，其特征在于，所述声透镜为平凹形，并且在其凹面上设置有若干个半径按周期分布的同心圆环凹槽。

3.根据权利要求2所述的一种具有超构表面声透镜的环形超声换能器，其特征在于，所述同心圆环凹槽等间距分布，并且间距作为半径的周期，所有圆环凹槽的圆心均位于声透镜的轴线上，这些同心圆环凹槽共同构成声学人工结构。

4.根据权利要求3所述的一种具有超构表面声透镜的环形超声换能器，其特征在于，每一道凹槽的尺寸都相同，且截面为扇形，槽的开口和底部对应圆环圆心的弧度相同。

5.根据权利要求1所述的一种具有超构表面声透镜的环形超声换能器，其特征在于，所述探头设备为B超探头。

6.一种针对上述权利要求1至5任一项所述具有超构表面声透镜的环形超声换能器的优化设计方法，其特征在于，该方法使用遗传算法作为优化算法，并以半径周期L、凹槽宽度d和凹槽深度h为遗传基因，以径向声压最大值与次级大值的比值为适应度，以适应度值最大为优化目标；具体优化步骤如下：

(1)初始化设置换能器和传播介质的固定参数，根据换能器的工作频率，选取初始半径周期、凹槽宽度和凹槽深度组合(L₀，d₀，h₀)，通过已知的换能器工作频率f₀，计算此频率在传播介质中对应的波长λ，周期L₀和深度h₀的初始值均为λ，宽度d₀的初始值为λ/2；

(2)根据预设的种群规模，分别选取半径周期L、凹槽宽度d和凹槽深度h，对L、d和h分别进行N次(N100)随机选取，取值方法以参数范围上下界为边界，以初始值*1％为步长；结合每一组选取出的(L，d，h)和步骤(1)中设定的固定参数，即为一组完整的换能器参数，即一个生命体；

(3)根据每个生命体包含的换能器参数计算其对应的声场分布，并从数据中提取声压最大值和径向次级大值，并计算径向声压最大值/次级大值的比值，作为适应度值；

(4)通过比较获得种群中所有生命体的最大适应度值，将与之对应的生命体取出，选取最大的适应度值为该生命体的适应度值；

(5)将本代精英生命体的适应度值与父代精英生命体的适应度值相比较，若本代精英生命体的适应度值更大，则更新精英生命体信息，反之则保留父代精英生命体信息；

(6)判断精英生命体信息是否已经达到连续M代未变化，或者已经达到最大进化代数；如果满足，则结束遗传选择；如果未满足，则继续遗传选择；

(7)以单个生命体适应度值在整个种群各生命体适应度值的总值中的占比为依据，以轮盘赌算法结合交叉概率，选择被保留的生命体；

(8)以被选中保留的生命体为基础，随机组合其中的半径周期、凹槽宽度和凹槽深度，生成新的生命体，并最终保持种群数量一致；

(9)按变异概率，对新形成的种群进行变异操作，被选中进行变异的生命体需重新随机设置半径周期、凹槽宽度和凹槽深度；

(10)回到步骤(3)的换能器阵列产生的声场计算，并逐步执行后续的遗传选择算法。

7.根据权利要求6所述的构造一种具有超构表面声透镜的环形超声换能器的优化设计方法，其特征在于，计算声场分布采用有限元法。

8.根据权利要求6所述的构造一种具有超构表面声透镜的环形超声换能器的优化设计方法，其特征在于，所述半径周期L范围在(L₀-L₀*50％，L₀+L₀*50％)，凹槽宽度d的范围在(d₀-d₀*50％，d₀+d₀*50％)，凹槽深度h的范围在(h₀-h₀*50％，h₀+h₀*50％)。