TWI792644B - 超音波換能器陣列組合及其超音波成像系統 - Google Patents

Abstract

一種超音波換能器陣列組合包含外殼與第一、第二及第三直線型換能器陣列。外殼包含第一、第二及第三層殼體。第一層殼體、第二層殼體及第三層殼體彼此層疊相接且分別具有呈拉鍊式Z字形排列之第一設置面、第二設置面及第三設置面。第一直線型換能器陣列設置於第一層殼體內對應第一設置面之位置。第二直線型換能器陣列設置於第二層殼體內對應第二設置面之位置。第三直線型換能器陣列設置於第三層殼體內對應第三設置面之位置，以與第一及第二直線型換能器陣列彼此隔開不相連且共同形成拉鍊式Z字形排列。

Description

超音波換能器陣列組合及其超音波成像系統

本發明關於一種超音波換能器陣列組合及其超音波成像系統，尤指一種可有效擴大量測範圍之超音波換能器陣列組合及其超音波成像系統。

由於超音波具有不破壞材料結構以及不傷害生物體的特性，因而普遍地被應用於水下量測。習知用於廣角量測範圍之超音波裝置係由複數個超音波換能器組成，且每一個超音波換能器皆是獨立發射與接收超音波。換言之，習知超音波裝置係以複數個超音波換能器之量測範圍組成廣角量測範圍。然而，當複數個超音波換能器拼接在一起時，複數個超音波換能器之間將產生大量的量測死角，使得量測結果的準確性受到影響。

因此，本發明的目的在於提供一種可有效擴大量測範圍之超音波換能器陣列組合及其超音波成像系統，以解決上述問題。

根據一實施例，本發明之超音波換能器陣列組合包含一外殼、一第一直線型換能器陣列、一第二直線型換能器陣列，以及一第三直線型換能器陣列。該外殼包含一第一層殼體、一第二層殼體，以及一第三層殼體，該第一層殼體、該第二層殼體，以及該第三層殼體彼此層疊相接以共同構成該殼體且分別具有一第一設置面、一第二設置面，以及一第三設置面，該第一設置面、該第二設置面，以及該第三設置面呈拉鍊式Z字形排列。該第一直線型換能器陣列設置於該第一層殼體內對應該第一設置面之位置。該第二直線型換能器陣列設 置於該第二層殼體內對應該第二設置面之位置。該第三直線型換能器陣列設置於該第三層殼體內對應該第三設置面之位置，以與該第一直線型換能器陣列以及該第二直線型換能器陣列彼此隔開不相連且共同形成拉鍊式Z字形排列。

根據另一實施例，本發明之超音波成像系統包含一超音波換能器陣列組合、一超音波控制器，以及一顯示器。該超音波換能器陣列組合包含一外殼、一第一直線型換能器陣列、一第二直線型換能器陣列，以及一第三直線型換能器陣列。該外殼包含一第一層殼體、一第二層殼體，以及一第三層殼體，該第一層殼體、該第二層殼體，以及該第三層殼體彼此層疊相接以共同構成該殼體且分別具有一第一設置面、一第二設置面，以及一第三設置面，該第一設置面、該第二設置面，以及該第三設置面呈拉鍊式Z字形排列。該第一直線型換能器陣列設置於該第一層殼體內對應該第一設置面之位置。該第二直線型換能器陣列設置於該第二層殼體內對應該第二設置面之位置。該第三直線型換能器陣列設置於該第三層殼體內對應該第三設置面之位置，以與該第一直線型換能器陣列以及該第二直線型換能器陣列彼此隔開不相連且共同形成拉鍊式Z字形排列。該超音波控制器電連接於該超音波換能器陣列組合，用來控制該第一直線型換能器陣列、該第二直線型換能器陣列，以及該第三直線型換能器陣列進行超音波量測。該顯示器電連接於該超音波控制器，用來接收從該超音波控制器於該第一直線型換能器陣列、該第二直線型換能器陣列，以及該第三直線型換能器陣列進行超音波量測後所傳來之超音波訊號以顯示一超音波量測影像。

綜上所述，由於本發明係採用將第一、第二與第三直線型換能器陣列分別設置在彼此層疊相接之第一、第二與第三層殼體內以彼此隔開不相連且共同形成拉鍊式Z字形排列的分層隔開排列設計，藉以產生廣角超音波量測功效，因此，本發明係可有效地解決在先前技術中所提到之複數個超音波換能器在拼接在一起時會產生量測死角的問題，從而大幅地提升超音波量測範圍以及 量測結果的準確性。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

10:超音波成像系統

12:超音波換能器陣列組合

14:超音波控制器

16:顯示器

18:外殼

20:第一直線型換能器陣列

22:第二直線型換能器陣列

24:第三直線型換能器陣列

26:第一層殼體

28:第二層殼體

30:第三層殼體

32:第一設置面

34:第二設置面

36:第三設置面

θ1、θ2:夾角

A1:第一量測範圍

A2:第二量測範圍

A3:第三量測範圍

第1圖為根據本發明之一實施例所提出之超音波成像系統之功能方塊示意圖。

第2圖為第1圖之超音波換能器陣列組合之立體示意圖。

第3圖為第2圖之超音波換能器陣列組合之內部配置示意圖。

請參閱第1圖、第2圖，以及第3圖，第1圖為根據本發明之一實施例所提出之一超音波成像系統10之功能方塊示意圖，第2圖為第1圖之一超音波換能器陣列組合12之立體示意圖，第3圖為第2圖之超音波換能器陣列組合12之內部配置示意圖。超音波成像系統10係可較佳地設置於船體底部下方或是設置於船舵下，用來經由超音波反射量測水下物件的存在(如魚群或是地形)，亦可以做成獨立元件以應用在冰上釣魚等活動，但不以此為限。

如第1圖至第3圖所示，超音波成像系統10包含超音波換能器陣列組合12、一超音波控制器14，以及一顯示器16，超音波換能器陣列組合12包含一外殼18、一第一直線型換能器陣列20、一第二直線型換能器陣列22，以及一第三直線型換能器陣列24。超音波控制器14係電連接於超音波換能器陣列組合12以用來控制第一直線型換能器陣列20、第二直線型換能器陣列22，以及第三直線型換能器陣列24進行超音波量測，且顯示器16係電連接於超音波控制器14以用來接收從超音波控制器14於第一直線型換能器陣列20、第二直線型換能器陣列22，以及第三直線型換能器陣列24進行超音波量測後所傳來之超音波訊號，進而顯示相對 應之超音波量測影像，以供後續超音波量測應用。需說明的是，相位陣列式(phased array)超音波換能器亦屬於本發明所述之直線型超音波換能器陣列，此外，針對上述超音波控制器14之超音波訊號收發控制設計以及顯示器16之超音波影像顯示設計的相關描述，其係常見於先前技術中，於此不再贅述。

更詳細地說，外殼18包含一第一層殼體26、一第二層殼體28，以及一第三層殼體30，第二層殼體28以及第三層殼體30係可較佳地位於第一層殼體26之同一側且與第一層殼體26依序堆疊設置以共同構成具有四邊形輪廓之殼體18(如第2圖所示，但不受此限)，且分別具有一第一設置面32、一第二設置面34，以及一第三設置面36，其中第一設置面32、第二設置面34，以及第三設置面36係呈拉鍊式Z字形排列。第一直線型換能器陣列20係設置於第一層殼體26內對應第一設置面32之位置(例如以貼附在第一設置面32上之方式，但不受此限)，第二直線型換能器陣列22係設置於第二層殼體28內對應第二設置面34之位置(例如以貼附在第二設置面34上之方式，但不受此限)，且第三直線型換能器陣列24係設置於第三層殼體30內對應第三設置面36之位置(例如以貼附在第三設置面36上之方式，但不受此限)，藉此，第三直線型換能器陣列24係可與第一直線型換能器陣列20以及第二直線型換能器陣列22彼此隔開不相連且共同形成拉鍊式Z字形排列(如第3圖所示)。

更進一步地，在此實施例中，第一直線型換能器陣列20以及第二直線型換能器陣列22之間具有一夾角θ1，第二直線型換能器陣列22以及第三直線型換能器陣列24之間具有一夾角θ2，夾角θ1以及夾角θ2可較佳地介於10°~30°之間。除此之外，於此實施例中，第一直線型換能器陣列20、第二直線型換能器陣列22，以及第三直線型換能器陣列14係可分別用來發射複數個超音波訊號，且可分別用來接收對應所發射出去之超音波訊號的複數個反射訊號，其中第一直線型換能器陣列20係可較佳地具有至少一第一量測範圍A1(於第3圖中顯示二 個，但數量與範圍不以此為限)，第二直線型換能器陣列22係可較佳地具有至少一第二量測範圍A2(於第3圖中顯示二個，但數量與範圍不以此為限)，且第三直線型換能器陣列24係可較佳地具有至少一第一量測範圍A3(於第3圖中顯示二個，但數量與範圍不以此為限)，藉此，由第3圖可知，第一量測範圍A1與第二量測範圍A2以及第三量測範圍A3係可共同形成廣角量測範圍(如120°，但不受此限)。需注意的是，本發明係可根據超音波換能器陣列組合之實際應用需求而相對應增加直線型換能器陣列之配置數量，以調整所需之廣角量測範圍。

透過上述設計，舉例來說，超音波換能器陣列組合12係可經由外殼18固定於船體，第一設置面32係可調整至平行於水平面之位置，使得超音波換能器陣列組合12可針對靠近水平面處之生物(例如，魚群)進行水下超音波量測。在實際應用中，使用者係可將第二設置面34水平朝下，使得超音波換能器陣列組合12可提供對稱的超音波影像範圍，以供後續進行定點垂釣之用。除此之外，超音波換能器陣列組合12可設計成可相對旋轉之結構，一般的使用狀態是朝下偵測水底影像，在需要追逐魚群的狀況下則可將超音波換能器陣列組合12往水面向上轉動以使第一直線型換能器陣列20更鄰近水平面。藉此，超音波換能器陣列組合12即可增進靠近水平面之成像範圍，從而針對船體前方或船體行進方向水域進行超音波影像量測，以便後續追蹤魚群之用。

綜上所述，由於本發明係採用將第一、第二與第三直線型換能器陣列分別設置在彼此層疊相接之第一、第二與第三層殼體內以彼此隔開不相連且共同形成拉鍊式Z字形排列的分層隔開排列設計，藉以產生廣角超音波量測功效，因此，本發明係可有效地解決在先前技術中所提到之複數個超音波換能器在拼接在一起時會產生量測死角的問題，從而大幅地提升超音波量測範圍以及量測結果的準確性。

值得一提的是，超音波換能器陣列組合之殼體設計係可不限於如第2圖所示 之第二層殼體28與第三層殼體30位於第一層殼體26之同一側以及第一設置面32為第一層殼體26之底面的實施態樣，藉以提昇本發明在直線型換能器陣列配置上的設計彈性，換句話說，只要是可將第一、第二與第三直線型換能器陣列分層隔開且使其呈拉鍊式Z字形排列之殼體設計，其均可為本發明所採用。舉例來說，在另一實施例中，第二層殼體28以及第三層殼體30係可分別位於第一層殼體26之前後兩側，或者是第一設置面32係可改設為第一層殼體26之頂面，其相關描述係可參照上述實施例類推，於此不再贅述，至於採用何種設計，其端視本發明之超音波換能器陣列組合的實際應用而定。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

12:超音波換能器陣列組合

18:外殼

20:第一直線型換能器陣列

22:第二直線型換能器陣列

24:第三直線型換能器陣列

θ1、θ2:夾角

A1:第一量測範圍

A2:第二量測範圍

A3:第三量測範圍

Claims (20)

1. 一種超音波換能器陣列組合，其包含：一外殼，其包含一第一層殼體、一第二層殼體，以及一第三層殼體，該第一層殼體、該第二層殼體，以及該第三層殼體彼此層疊相接以共同構成該殼體且分別具有一第一設置面、一第二設置面，以及一第三設置面，該第一設置面、該第二設置面，以及該第三設置面呈拉鍊式Z字形排列；一第一直線型換能器陣列，其設置於該第一層殼體內對應該第一設置面之位置；一第二直線型換能器陣列，其設置於該第二層殼體內對應該第二設置面之位置；以及一第三直線型換能器陣列，其設置於該第三層殼體內對應該第三設置面之位置，以與該第一直線型換能器陣列以及該第二直線型換能器陣列彼此隔開不相連且共同形成拉鍊式Z字形排列。
2. 如請求項1所述之超音波換能器陣列組合，其中該第一層殼體、該第二層殼體，以及該第三層殼體彼此層疊相接以共同構成具有一四邊形輪廓之該殼體。
3. 如請求項1所述之超音波換能器陣列組合，其中該第一直線型換能器陣列以及該第二直線型換能器陣列之間具有一夾角，該夾角介於10°~30°之間。
4. 如請求項1所述之超音波換能器陣列組合，其中該第二直線型換能器陣列以及該第三直線型換能器陣列之間具有一夾角，該夾角介於10°~ 30°之間。
5. 如請求項1所述之超音波換能器陣列組合，其中該第一設置面平行於一水平面。
6. 如請求項1所述之超音波換能器陣列組合，其中該第二層殼體以及該第三層殼體位於該第一層殼體之同一側且與該第一層殼體依序堆疊設置。
7. 如請求項1所述之超音波換能器陣列組合，其中該第二層殼體以及該第三層殼體分別位於該第一層殼體之兩側。
8. 如請求項1所述之超音波換能器陣列組合，其中該第一設置面為該第一層殼體之一頂面或一底面。
9. 如請求項1所述之超音波換能器陣列組合，其中該第一直線型換能器陣列具有至少一第一量測範圍，該第二直線型換能器陣列具有至少一第二量測範圍，該第三直線型換能器陣列具有至少一第三量測範圍，且該至少一第一量測範圍與該至少一第二量測範圍以及該至少一第三量測範圍共同形成一廣角量測範圍。
10. 如請求項1所述之超音波換能器陣列組合，其中該超音波換能器陣列組合經由該外殼固定於一船體以進行水下超音波量測。
11. 一種超音波成像系統，其包含：一超音波換能器陣列組合，其包含：一外殼，其包含一第一層殼體、一第二層殼體，以及一第三層殼體，該第一層殼體、該第二層殼體，以及該第三層殼體彼此層疊相接以共同構成該殼體且分別具有一第一設置面、一第二設置面，以及一第三設置面，該第一設置面、該第二設置面，以及該第三設置面呈拉鍊式Z字形排列；一第一直線型換能器陣列，其設置於該第一層殼體內對應該第一設置面之位置；一第二直線型換能器陣列，其設置於該第二層殼體內對應該第二設置面之位置；以及一第三直線型換能器陣列，其設置於該第三層殼體內對應該第三設置面之位置，以與該第一直線型換能器陣列以及該第二直線型換能器陣列彼此隔開不相連且共同形成拉鍊式Z字形排列；一超音波控制器，其電連接於該超音波換能器陣列組合，用來控制該第一直線型換能器陣列、該第二直線型換能器陣列，以及該第三直線型換能器陣列進行超音波量測；以及一顯示器，其電連接於該超音波控制器，用來接收從該超音波控制器於該第一直線型換能器陣列、該第二直線型換能器陣列，以及該第三直線型換能器陣列進行超音波量測後所傳來之超音波訊號以顯示一超音波量測影像。
12. 如請求項11所述之超音波成像系統，其中該第一層殼體、該第二層殼體，以及該第三層殼體彼此層疊相接以共同構成具有一四邊形輪廓之 該殼體。
13. 如請求項11所述之超音波成像系統，其中該第一直線型換能器陣列以及該第二直線型換能器陣列之間具有一夾角，該夾角介於10°~30°之間。
14. 如請求項11所述之超音波成像系統，其中該第二直線型換能器陣列以及該第三直線型換能器陣列之間具有一夾角，該夾角介於10°~30°之間。
15. 如請求項11所述之超音波成像系統，其中該第一設置面平行於一水平面。
16. 如請求項11所述之超音波成像系統，其中該第二層殼體以及該第三層殼體位於該第一層殼體之同一側且與該第一層殼體依序堆疊設置。
17. 如請求項11所述之超音波成像系統，其中該第二層殼體以及該第三層殼體分別位於該第一層殼體之兩側。
18. 如請求項11所述之超音波成像系統，其中該第一設置面為該第一層殼體之一頂面或一底面。
19. 如請求項11所述之超音波成像系統，其中該第一直線型換能器陣列具有至少一第一量測範圍，該第二直線型換能器陣列具有至少一第二量測範圍，該第三直線型換能器陣列具有至少一第三量測範圍，且該至少一第一量測範圍與該至少一第二量測範圍以及該至少一第三量測範圍共同形 成一廣角量測範圍。
20. 如請求項11所述之超音波成像系統，其中該超音波換能器陣列組合經由該外殼固定於一船體以進行水下超音波量測。

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