专利摘要

专利摘要

一种基于人工周期结构过滤超声波的系统，所述系统包括：超声波发射装置、人工周期结构和温度控制装置，其中：所述超声波发射装置，用于发射待过滤超声波；所述人工周期结构，用于对入射的所述待过滤超声波进行调控，并在所述人工周期结构的基板中产生兰姆波，所述人工周期结构激发所述兰姆波产生透射增强峰；所述温度控制装置，用于调控所述人工周期结构的工作温度高于或低于所述人工周期结构的相变温度；所述人工周期结构，还用于根据所述工作温度调控所述透射增强峰对应的频率，并将过滤后的超声波透射出去。采用该系统，通过简单控制即可便捷有效地过滤出了与工作温度对应的超声波。此外还提供一种基于人工周期结构过滤超声波的方法。

权利要求

1.一种基于人工周期结构过滤超声波的系统，其特征在于，所述系统包括：超声波发射装置、人工周期结构和温度控制装置，其中：

所述超声波发射装置，用于发射待过滤超声波；

所述人工周期结构，用于对入射的所述待过滤超声波进行调控，并在所述人工周期结构的基板中产生兰姆波，所述人工周期结构激发所述兰姆波产生透射增强峰；

所述温度控制装置，用于调控所述人工周期结构的工作温度高于或低于所述人工周期结构的相变温度；

所述人工周期结构，还用于根据所述工作温度调控所述透射增强峰对应的频率，并将过滤后的超声波透射出去。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述人工周期结构包括基板和多个凸条，所述多个凸条平行设置在所述基板上且间隔距离相等。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述人工周期结构的参数包括基板厚度、周期长度、凸条截面形状和凸条截面积中的至少一种；

所述人工周期结构包含不同参数的人工周期结构，所述不同参数的人工周期结构对应所述待过滤超声波的频率范围，对所述待过滤超声波的频率范围进行调制。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括超声波接收装置，用于接收产生所述待过滤超声波所需的激励信号与过滤后的超声波并对所述激励信号的频谱与所述过滤后的超声波对应的频谱进行运算处理，得到与所述人工周期结构的工作温度对应的透射谱。

5.根据权利要求1至所述的系统，其特征在于，所述超声波发射装置包括信号发射装置和超声波生成装置，其中：

信号发射装置，用于发射激励信号；

所述超声波生成装置，用于根据所述激励信号产生超声波。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述超声波接收装置包括信号接收装置和数据处理装置，其中：

所述信号接收装置，用于接收所述激励信号与所述过滤后的超声波并传输至所述数据处理装置；

所述数据处理装置，用于对所述激励信号的频谱与所述过滤后的超声波对应的频谱进行运算处理。

7.一种基于人工周期结构过滤超声波的方法，所述方法包括：

超声波发射装置发射待过滤超声波；

人工周期结构对入射的所述待过滤超声波进行调控，并在人工周期结构的基板中产生兰姆波，所述人工周期结构激发所述兰姆波产生透射增强峰；

温度控制装置调控所述人工周期结构的工作温度高于或低于所述人工周期结构的相变温度；

根据所述工作温度，所述人工周期结构调控所述透射增强峰对应的频率，并将过滤后的超声波透射出去。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述人工周期结构对入射的所述待过滤超声波进行调控的步骤，包括：

对应所述待过滤超声波的频率范围，采用不同参数的人工周期结构对所述待过滤超声波的频率范围进行调制，所述参数包括基板厚度、周期长度、凸条截面形状和凸条截面积中的至少一种。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述超声波发射装置发射待过滤超声波的步骤之前，还包括：

信号发射装置发射激励信号；

所述激励信号激励超声波生成装置产生待过滤超声波。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据所述工作温度，所述人工周期结构调控所述透射增强峰的频率，并将过滤后的超声波透射出去的步骤之后，还包括：

信号接收装置将接收到的所述激励信号和所述过滤后的超声波输入数据处理装置；

所述数据处理装置采集所述激励信号的频谱数据和所述过滤后的超声波对应的频谱数据；

所述数据处理装置对所述激励信号的频谱数据与所述过滤后的超声波对应的频谱数据进行运算处理，得到与所述工作温度对应的透射谱。

说明书

技术领域

本发明涉及超声波技术领域，特别是涉及一种基于人工周期结构过滤超声波的系统和方法。

背景技术

目前的声波滤波器包括声表面滤波器在内，都是基于电子电路对电信号的转换并通过超声换能器来实现对声波的过滤。超声波换能器发出的超声波具有一定频率范围，信号的大部分能量包含在频率较窄的一段频带(有效带宽)中。但是将超声波应用在污水处理、高分子合成和声呐等时，往往需要使用窄频甚至单一频率的超声波才可以达到精确控制和检测的目的。有时甚至还需要采取温度与单一频率超声波进行共同作用，例如，污水处理和化学合成中，需要在某一温度下运用某个频率的超声波催化；在声呐工作中，需要根据水温变化通过特定频率的超声波来确定水深和周围环境。

利用人工周期结构对超声波进行过滤可以得到某些特定频率的超声波。这是由于弹性波在人工周期结构(声子晶体)中传播时，受到人工周期结构的影响，在一定频率范围(带隙)内被阻止传播，而在其他频率范围(通带)可以无损耗地传播。因此，利用这一禁带性质可以获得某些特定频率的超声波。

但是如何利用人工周期结构通过简单控制的方式即可便捷有效地过滤出与其工作温度对应的特定频率的超声波，目前还是一个技术难题。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种控制简单且便捷有效地过滤出与工作温度对应的超声波的基于人工周期结构过滤超声波的系统和方法。

一种基于人工周期结构过滤超声波的系统，所述系统包括：超声波发射装置、人工周期结构和温度控制装置，其中：

所述超声波发射装置，用于发射待过滤超声波；

所述人工周期结构，用于对入射的所述待过滤超声波进行调控，并在所述人工周期结构的基板中产生兰姆波，所述人工周期结构激发所述兰姆波产生透射增强峰；

所述温度控制装置，用于调控所述人工周期结构的工作温度高于或低于所述人工周期结构的相变温度；

所述人工周期结构，还用于根据所述工作温度调控所述透射增强峰对应的频率，并将过滤后的超声波透射出去。

一种基于人工周期结构过滤超声波的方法，所述方法包括：

超声波发射装置发射待过滤超声波；

人工周期结构对入射的所述待过滤超声波进行调控，并在人工周期结构的基板中产生兰姆波，所述人工周期结构激发所述兰姆波产生透射增强峰；

温度控制装置调控所述人工周期结构的工作温度高于或低于所述人工周期结构的相变温度；

根据所述工作温度，所述人工周期结构调控所述透射增强峰对应的频率，并将过滤后的超声波透射出去。

上述基于人工周期结构过滤超声波的系统和方法，人工周期结构对入射的待过滤超声波进行调控，并在人工周期结构的基板中产生兰姆波，人工周期结构激发兰姆波产生透射增强峰。由于温度控制装置调控人工周期结构的工作温度高于或低于人工周期结构的相变温度，根据该工作温度，人工周期结构调控透射增强峰对应的频率，并将过滤后的超声波透射出去。由此通过简单控制即可便捷有效地过滤出了与工作温度对应的超声波。

附图说明

图1为一个实施例中基于人工周期结构过滤超声波的系统结构示意图；

图2-1为一个实施例中人工周期结构在工作温度30℃时透射谱的测量结果图；

图2-2为一个实施例中人工周期结构在工作温度40℃时透射谱的测量结果图；

图3为一个实施例中人工周期结构的示意图；

图4为另一个实施例中基于人工周期结构过滤超声波的系统的结构示意图；

图5为一个实施例中基于人工周期结构过滤超声波的方法的流程图；

图6为一个实施例中得到与工作温度对应的透射谱的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于人工周期结构过滤超声波的系统，该系统包括：超声波发射装置102、人工周期结构104和温度控制装置106，其中：

超声波发射装置102，用于发射待过滤超声波。

待过滤超声波可以是任意频率范围内的超声波。超声波发射装置102可以是发射任意品控范围超声波的装置。在一个优选的实施例中，超声波发射装置102包括信号发射装置和超声波生成装置，其中：信号发射装置，用于发射激励信号；超声波生成装置，用于根据激励信号产生超声波。信号发射装置优选计算机控制的脉冲发射接收器，超声波生成装置优选超声换能器。激励信号可以是连续正弦信号，也可以是脉冲正弦信号。超声换能器可以是单阵元超声换能器、相控阵超声换能器、线阵超声换能器、凸阵超声换能器和叉指换能器中的任意一种。优选的，激励信号为脉冲正弦信号，超声换能器采用单阵元超声换能器。例如，计算机控制脉冲发射接收器产生能量为12.5μJ、频率为100MHz的脉冲信号，受到该脉冲信号的激励，超声换能器产生1.5MHz～4.5MHz宽频待过滤超声波，其中心频率为3.5MHz，焦距为400mm。

人工周期结构104，用于对入射的待过滤超声波进行调控，并在人工周期结构的基板中产生兰姆波，人工周期结构激发兰姆波产生透射增强峰。

人工周期结构即声子晶体结构，其制成材料包括但不限于钛酸锶钡(Ba_xSr_1-xTiO₃)铁电陶瓷材料，具体的，可采用锶钡元素比为3:7的(Ba_0.7Sr_0.3TiO₃)、2:8的(Ba_0.8Sr_0.2TiO₃)、3.5:6.5的(Ba_0.65Sr_0.35TiO₃)、4:6的(Ba_0.6Sr_0.4TiO₃)或者其他铁电陶瓷材料制成。钛酸锶钡(Ba_xSr_1-xTiO₃)铁电陶瓷材料中钡元素的比例可以在(0～1)之间任意改变，对应的工作温度范围可以是(-241℃～130℃)。本实施例中，优选锶钡元素比为3:7的(Ba_0.7Sr_0.3TiO₃)。

人工周期结构可通过样本台进行固定，具体的可将人工周期结构放置在样本台中间进行固定。对应待过滤超声波的频率范围，采用不同参数的人工周期结构进行调控。待过滤超声波激励人工周期结构的基板振动，在人工周期结构的基板中产生兰姆波。人工周期结构激发兰姆波以零阶反对称模式产生多个透射增强峰。透射增强峰对应的频率，与人工周期结构的参数紧密相关。人工周期结构的参数确定后，透射增强峰对应的多个特定的频率即被随之确定。由于钛酸锶钡铁电陶瓷材料的声传播性能还会受到工作温度的影响，此时人工周期结构过滤出的超声波的频率只与工作温度有关。

以1.5MHz～4.5MHz的宽频待过滤超声波为例进行说明，人工周期结构采用参数为基板厚度为0.5mm、周期长度为1mm、凸条截面形状为长方形、凸条截面积的宽度为0.6mm，凸条截面积的高度为0.3mm的栅栏结构。如图2-1所示，人工周期结构的工作温度为30℃，经过人工周期结构的过滤之后，透射出去的超声波频率为2.844MHz、3.433MHz、3.583MHz、4.277MHz和4.455MHz。如图2-2所示，人工周期结构的工作温度为40℃，经过人工周期结构的过滤之后，透射出去的超声波频率为3.137MHz、3.752MHz和3.920MHz。在上述图中可以明显看出，人工周期结构的参数确定后，人工周期结构的工作温度发生改变，过滤后的超声波的频率随着工作温度的变化而变化。

温度控制装置106，用于调控人工周期结构的工作温度高于或低于人工周期结构的相变温度。

由于钛酸锶钡铁电陶瓷材料具有对温度极其敏感的声学性能，因此，在相变温度前后，其弹性模量和在其中传播的超声波的波速会有较大的改变。温度控制装置106具体的可以采用数显恒温水浴锅，用于调控人工周期的工作温度高于或低于钛酸锶钡铁电陶瓷材料的相变温度。以钛酸锶钡(Ba_0.7Sr_0.3TiO₃)铁电陶瓷材料为例，其相变温度为30℃，数显恒温水浴锅调控人工周期的工作温度高于或低于30℃，具体的可以是10℃～50℃之间的升温或降温。

人工周期结构104，还用于根据工作温度调控透射增强峰对应的频率，并将过滤后的超声波透射出去。

由于人工周期结构的参数确定后，人工周期结构过滤出的超声波的频率只与温度有关。根据工作温度，人工周期结构调控透射增强峰的频率，将过滤后的超声波透射出去，得到与工作温度对应的过滤后的超声波。

本实施例中，人工周期结构对入射的待过滤超声波进行调控，并在人工周期结构的基板中产生兰姆波，人工周期结构激发兰姆波产生透射增强峰。由于温度控制装置调控人工周期结构的工作温度高于或低于人工周期结构的相变温度，根据该工作温度，人工周期结构调控透射增强峰对应的频率，并将过滤后的超声波透射出去。由此通过简单控制即可便捷有效地过滤出了与工作温度对应的超声波。

在一个实施例中，人工周期结构包括基板和多个凸条，多个凸条平行设置在基板上且间隔距离相等。在一个优选的实施例中，人工周期结构的参数包括基板厚度、周期长度、凸条截面形状和凸条截面积中的至少一种。人工周期结构包含不同参数的人工周期结构，不同参数的人工周期结构对应待过滤超声波的频率范围，对待过滤超声波的频率范围进行调制。凸条截面形状可以是长方形、多边形或半圆形。以凸条截面形状为长方形为例，人工周期结构的示意图如图3所示。其中，凸条的轴向中心线之间的间距d为人工周期结构的周期长度，h2为基板厚度，h1为长方体的高，w为长方体的宽，h1*w为长方体的截面积即凸条的截面积。基板厚度、长方体的高和长方体的宽三者可以相同。在厚度为h1+h2的铜板上通过划片机加工可以得到周期长度为d，长方体的高度为h1，宽度为w的栅栏结构的人工周期结构。

在一个实施例中，如图4所示，基于人工周期结构过滤超声波的系统还包括超声波接收装置108，用于接收产生待过滤超声波所需的激励信号与过滤后的超声波，并对激励信号的频谱与过滤后的超声波对应的频谱进行运算处理，得到与人工周期结构的工作温度对应的透射谱。

本实施例中，利用超声波接收装置108分别计算得到产生待过滤超声波所需的激励信号与过滤后的超声波信号的频谱数据，并对两者的频谱数据进行计算，由此得到与人工周期结构的工作温度对应的透射谱。

在一个优选的实施例中，超声波接收装置108包括信号接收装置和数据处理装置其中：信号接收装置，用于接收激励信号与过滤后的超声波并传输至计算机；数据处理装置，用于对激励信号的频谱与过滤后的超声波对应的频谱进行运算处理。

本实施例中，信号接收装置优选计算机控制的脉冲发射接收器，数据处理装置优选计算机。计算机对接收到的激励信号和过滤后的超声波，分别进行运算处理的频谱数据。具体的，可采用Matlab程序，分别对激励信号和过滤后的超声波的时域信号进行傅里叶变换得到对应的频域信号，并对频域信号进行数据采集，例如采集50个数据，对采集到的数据取平均值，分别得到激励信号的频谱数据和过滤后的超声波对应的频谱数据。将过滤后的超声波的频谱数据与激励信号的频谱数据相除，得到与人工周期结构的工作温度对应的透射谱。

在一个实施例中，如图5所示，提供了一种基于人工周期结构过滤超声波的方法，包括：

步骤502，超声波发射装置发射待过滤超声波。

步骤504，人工周期结构对入射的待过滤超声波进行调控，并在人工周期结构的基板中产生兰姆波，人工周期结构激发兰姆波产生透射增强峰。

步骤506，温度控制装置调控人工周期结构的工作温度高于或低于人工周期结构的相变温度。

步骤508，根据工作温度，人工周期结构调控透射增强峰对应的频率，并将过滤后的超声波透射出去。

本实施例中，待过滤超声波可以是任意频率范围内的超声波，可通过超声波发射装置发射待过滤超声波。包含多个频率的待过滤宽频超声波可同时入射至人工周期结构。人工周期结构对入射的待过滤超声波进行调控。人工周期结构包括基板和多个凸条，多个凸条平行设置在基板上且间隔距离相等。人工周期结构可通过样本台进行固定，具体的可将人工周期结构放置在样本台中间进行固定。待过滤超声波激励人工周期结构的基板振动，在人工周期结构的基板中产生兰姆波。人工周期结构激发兰姆波以零阶反对称模式产生多个透射增强峰。由于透射增强峰对应的频率，与人工周期结构的参数紧密相关。人工周期结构的参数确定后，透射增强峰对应的多个特定的频率即被随之确定，此时人工周期结构过滤出的超声波的频率只与温度有关。由于钛酸锶钡(Ba_0.7Sr_0.3TiO₃)铁电陶瓷材料在相变温度前后，其弹性模量和在其中传播的超声波的波速会有较大的改变。温度控制装置调控人工周期结构的工作温度高于或低于人工周期结构的相变温度。根据工作温度，人工周期结构调控透射增强峰的频率，将过滤后的超声波透射出去，得到与工作温度对应的过滤后的超声波。由此实现了通过简单控制即便捷有效地过滤出与工作温度对应的超声波。

在一个实施例中，人工周期结构对入射的待过滤超声波进行调控的步骤，包括：对应待过滤超声波的频率范围，采用不同参数的人工周期结构对待过滤超声波的频率范围进行调制，参数包括基板厚度、周期长度、凸条截面形状和凸条截面积中的至少一种。

本实施例中，待过滤超声波的频率范围不同，可采用不同参数的人工周期结构进行调制。待过滤超声波可以是由超声换能器发射的。由于超声换能器的频率范围是有限的，如1.5MHz-4.5MHz，而人工周期结构可以在远远宽于超声换能器的频率范围内，在多个频率点产生透射增强峰。因此，可以通过改变超声换能器来改变待过滤超声波的频率范围。人工周期结构的参数包括基板厚度、周期长度、凸条截面形状和凸条截面积中的至少一种。凸条截面形状可以是长方形、多边形或半圆形。参数不同即表示人工周期结构不同。以凸条截面形状为长方形为例，对于1.5MHz～4.5MHz的宽频待过滤超声波，可以采用基板厚度h2为0.5mm、周期长度d为1mm、凸条截面形状为长方形、凸条截面积的宽度w为0.6mm，凸条截面积的高度h1为0.3mm的栅栏结构的人工周期结构。

在一个实施例中，超声波发射装置发射待过滤超声波的步骤之前，还包括：信号发射装置发射激励信号；激励信号激励超声波生成装置产生待过滤超声波。

本实施例中，信号发射装置发射的激励信号可以是连续正弦信号，也可以是脉冲正弦信号。超声波生成装置根据激励信号产生超声波。信号发射装置优选计算机控制脉冲发射接收器，超声波生成装置优选超声换能器。超声换能器可以是单阵元超声换能器、相控阵超声换能器、线阵超声换能器、凸阵超声换能器和叉指换能器中的任意一种。进一步优选的，激励信号为脉冲正弦信号，超声换能器采用单阵元超声换能器。例如，计算机控制脉冲发射接收器产生能量为12.5μJ、频率为100MHz的脉冲信号，受到该脉冲信号激励超声换能器产生1.5MHz～4.5MHz宽频待过滤超声波，其中心频率为3.5MHz，焦距为400mm。

在一个实施例中，如图6所示，根据工作温度，人工周期结构调控透射增强峰的频率，并将过滤后的超声波透射出去的步骤之后还包括：

步骤602，信号接收装置将接收到的激励信号和过滤后的超声波输入数据处理装置。

步骤604，数据处理装置采集激励信号的频谱数据和过滤后的超声波对应的频谱数据。

步骤606，数据处理装置对激励信号的频谱数据与过滤后的超声波对应的频谱数据进行运算处理，得到与工作温度对应的透射谱。

本实施例中，信号接收装置优选计算机控制脉冲发射接收器，数据处理装置优选计算机。计算机控制脉冲发射接收器接收激励信号和通过人工周期结构透射出的过滤后的超声波，并将激励信号和过滤后的超声波输入计算机。计算机分别对接收的激励信号和过滤后的超声波进行运算处理得到对应的频谱数据。具体的，可采用Matlab程序，分别对激励信号和过滤后的超声波的时域信号进行傅里叶变换得到对应的频域信号，并对频域信号进行数据采集，例如采集50个数据，对采集到的数据取平均值，分别得到激励信号的频谱数据和过滤后的超声波对应的频谱数据。将过滤后的超声波的频谱数据与激励信号的频谱数据相除，得到与人工周期结构的工作温度对应的透射谱。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

基于人工周期结构过滤超声波的系统和方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。