双凹球面相控聚焦超声波场的产生与可视化

超声相控阵技术在声悬浮中有十分重要的价值,相较于传统的一维单轴声悬浮装置,本文在凹球面双发射极超声阵列的基础上引入相控聚焦原理,产生了声悬浮能力较强的声场,重点研究了声场的仿真模拟与可视化验证.首先,介绍了自发设计的凹球面双发射极超声阵列结构,阐述了相控聚焦原理、超声驻波悬浮机理、声压与声辐射力等声学理论.然后,根据理论分析结果,借助COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件,仿真模拟相控聚焦超声波场.产生该声场的各超声波换能器相位可单独控制,通过相位的实时变化,可使声场进行动态聚焦,实现微粒的悬浮与任意轨迹移动.最后,使用单反射纹影系统实现了该声场的实时可视化,与仿真结果进行比较,证实了凹球面双发射极超声波装置相控聚原理的准确性.     

基于双轴超声列阵驻波原理的固体颗粒悬浮操控实验

针对传统超声阵列悬浮技术悬浮稳定性较弱等问题,基于双轴超声列阵驻波原理,设计了平面-凹球面组合超声阵列悬浮装置.利用COMSOL Multiphysics软件进行仿真实验,利用FPGA、超声波换能器等搭建装置,实现对固体颗粒的束缚及定位移动的互动式操控,根据装置在运动过程中悬浮小球的抖动情况分析装置的稳定性.实验表明:该装置可以精确地控制粒子移动,提高了悬浮稳定性.     

基于一维声栅共振场的大规模微粒并行排列的实验研究

声操控微粒技术可以非接触无损伤地控制声场中的物体运动,其在精密制造、材料工程、体外诊断等领域具有广阔的应用前景.传统声操控微粒技术一般采用自由声场,如利用单个换能器或阵列换能器产生的聚焦声场、行波场或驻波场等.然而,一般单个换能器产生的声场仅能操控单个微粒;而阵列换能器的驱动系统复杂,导致操控器件成本高昂且难以微型化;因此,亟需研究新的声场形态实现多样性微粒操控.本工作中,采用单个换能器产生的平面波激发一维声栅的共振声场,实验实现了大规模泡沫微球的周期排列操控.其操控机制是由于声栅狭缝中法布里-珀罗谐振声场与声栅表面周期衍射场共振耦合,在声栅表面形成周期分布的局域梯度声场,导致微粒在平行于声栅表面受到声捕获力,在垂直于声栅表面受到指向表面的声吸引力,实现了微粒周期排列在声栅表面上.该工作为利用超声在空气中大规模排列微粒提供了理论基础和技术支持.     

圆环形聚焦声场的构建与调控

提出了一种由径向振动模式的圆环形压电换能器晶片组成的圆柱形阵列换能器结构, 依据阵元激励信号的相位调控机理, 推导了圆环形聚焦声场的调控公式, 在三维空间中构建了圆环形聚焦声场, 实现了对其聚焦区域大小、聚焦圆环半径以及轴向位置移动的调控. 理论分析和仿真研究表明, 所提出的圆柱形阵列换能器实现了对圆环形聚焦声场的调控. 为检测超声、功率超声、医学超声等应用领域提供了一种可实现的新型圆环形可调控聚焦声场.     

基于亚波长管道增强的漩涡声场悬浮操控微粒和液滴的实验研究

声悬浮技术可以在无接触的情况下操控微粒和液滴,因此已被广泛应用于化学分析、液滴动力学和生物反应器等领域.目前声悬浮技术的主要工作是在开放环境中进行悬浮等操控.本文提出了亚波长管道增强型空气声镊的概念,利用亚波长声波导管进行声场操控及微粒和液滴悬浮.通过4个小型换能器激发有限长度亚波长圆波导管的单一低阶声学模态,可以在有限长度的波导管内产生漩涡声场.实验发现由于亚波长结构对声场的增强作用,亚波长管道增强的漩涡声场在径向和轴向悬浮力大小上均有较大提升,因此可对发泡聚苯乙烯颗粒和水滴实施悬浮和自转等操控.这项工作将亚波长声波导管的概念引入声场操控中,有望加深对声场和物质相互作用的物理理解,开发新型小型化悬浮微粒和液滴的声学操纵器件.     

热疗用聚焦超声换能器的研究

本文通过数值计算及实际测量,研究了凹球面声透镜聚焦换能器及凹球面自聚焦换能器产生的声场,证实此两种聚焦方式均可获得理想的聚焦效果,但自聚焦方式更适合高强度聚焦超声(HIFU)加热治疗。     

共聚焦超声换能器的声场优化与粒子捕获

超声悬浮被广泛应用于多个领域,目前主要有驻波式和相控阵式悬浮系统.基于共焦点排列的聚焦换能器结构,本研究提出了一种单边式超声悬浮系统.其基本原理是利用反相激励成对聚焦换能器在空间构建具有势阱结构的特定声场,实现微粒的捕获与悬浮.针对4个共焦点排列的聚焦换能器,基于有限元仿真研究了换能器轴夹角及激励相位模式对声场分布的影响;利用实验演示了系统的粒子捕获效果,验证了其势阱分布情况.结果表明,换能器轴线与结构中轴线夹角为45°时,势阱强度最高;换能器的激励相位分别为0,0,π,π时,声场中存在1处主势阱、2处次级势阱,可以捕获3处粒子团;换能器的激励相位分别为0,π/2,π,3π/2时,声场中仅存在1处势阱,只可捕获1处粒子团.该系统具有成本低、自由度高、稳定性强、操作便捷的优点,且能够实现单个位置或多个位置粒子团的捕获与悬浮,可以用于流体中高密度物体操控.     

纵振驱动球面弯曲振动超声聚焦系统的聚焦特性*

为了将超声聚焦效应应用于工业加工中的冷却技术中,该文提出一种由夹心式换能器纵向振动驱动球面弯曲振动超声聚焦系统。基于基尔霍夫-亥姆霍兹声场理论分析了由换能器中心面纵向振动和球面弯曲振动组成的复合超声振动条件下的声场聚焦特性,并通过实验进行验证。研究结果表明,该聚焦系统具有显著的聚焦特性,球面弯曲振动将声能汇聚在声场焦区;当声场相位相同时,换能器中心面纵向振动和球面弯曲振动产生的声场在焦区发生叠加,可以进一步提高焦区声压;减小换能器中心面半径和球面曲率半径、增加球面开口半径可以增强复合超声振动的聚焦效果。     

聚焦超声源对生物媒质加热的理论研究

用差分法求解生物热传导方程,研究了凹球面聚焦超声换能器用于热疗时在人体组织内产生的稳态温度场.引入热焦距及等温线,分析了换能器参数、生物组织特性参数对有效治疗区的影响,并对声场和温度场特征进行了比较 关键词： 聚焦超声 热疗 生物组织 温度场     

基于瑞利积分叠加法的聚焦换能器声场特性研究

基于经典的瑞利积分,提出考虑非线性传播、各次谐波衰减的声场瑞利积分线性叠加算法.分析其原理,并以凹球面聚焦换能器为例,采用该算法研究媒质衰减和非线性传播特性影响声焦域的规律.并与Khokhov-Zabolotskaya-Kuznesov(KZK)数值算法,以及实验结果进行比较,验证瑞利积分线性叠加算法描述高强度聚焦超声(HIFU)声场的有效性.     

热疗用聚焦脉冲声场的时域和频域特性研究

本文用传递函数的概念导出了凹球面聚焦脉冲声扬的简洁表达式,从数值计算上和实验上研究了这种声场和中轴线上不同位置处声压信号的持续时间和频谱特征,分析了它们对热疗的影响。     

固体中线性相控阵列的瞬态聚焦特性

针对线性相控阵列在固体介质中的声场聚焦特性及参数优化问题,该文给出了一个线性阵列的纵波瞬态聚焦声场模型.数值结果表明,当阵元被短时脉冲信号激励时,瞬态聚焦声场中不会形成栅瓣,突破了传统稳态理论模型中对阵元间距的限制;同时由于横纵波在聚焦区域内可完全分离,声束旁瓣的幅值也得到了抑制.其次,增大阵元间距能够显著提高聚焦性能...     

经颅超声聚焦方法和声场特性研究

基于高分辨的CT数据建立了非均匀颅骨仿真模型,该模型引入了颅骨的声衰减系数,深入研究和分析了声波时间反转法和超声相控阵法在颅脑中的聚焦方法及效果。颅骨具有较强的声波衰减特性,使用时间反转聚焦时需要进行幅度补偿,对于0.7MHz的频率信号,幅度补偿后的时间反转聚焦声场主瓣宽度窄、旁瓣低,焦点处声场比无幅度补偿的时间反转法提高8.86dB,比超声相控阵聚焦法提高7.89dB,具有很好的空间聚焦精度和聚焦效率。研究了颅骨衰减系数、声场焦点位置、声波频率、换能器阵列位置和方位等参数对聚焦声场的影响,结果表明,幅度补偿时间反转法比相控阵法具有更低的旁瓣,且高频时的聚焦效果比相控阵好,相控阵聚焦对换能器阵列的位置和方位比较敏感,而时间反转经颅超声聚焦对声传播路径和入射角具有更高的鲁棒性。      

凹面相控阵聚焦声场在液固界面上的反射和折射

开展了凹面线性相控阵列辐射声场在液固界面上的反射和折射特性研究,利用射线近似方法,得到了凹面相控阵聚焦声场在液固界面上反射和折射后的声场渐近解析表达式,对声波在液固曲面上的反射和折射声场进行了分析和讨论. 利用这个解析表达式,对凹面线性聚焦声场在液固平界面和液固圆柱界面情况下固体中折射纵波和折射横波的相控阵声场进行了分析和讨论,发现凹面线阵声场在液固圆柱界面下比液固平界面具有更好的聚焦效果. 关键词： 凹面阵列 超声相控阵 反射与折射     

球面矩形阵元相控阵高强度聚焦超声手术的子阵工作模式

提出了超声手术治疗肝肿瘤时非侵入性的球面矩形阵元相控阵的多种子阵工作模式:通过图像扫描来确定仅让不受肋骨遮挡的换能器子阵继续工作,并运用超声传播公式、伪逆矩阵算法和遗传算法进行声场的优化合成。结果表明:球面矩形阵元相控阵换能器的多种不同的子阵划分,不仅能够产生手术中需要的单焦点、多焦点等多种治疗模式,其声场的焦域形状和聚焦声强均达到了治疗的要求,而且能够减少肋骨上的声功率累积,避免了正常组织受损,从而可能解决高强度聚焦超声手术治疗肝肿瘤时超声波束受肋骨遮挡不能形成治疗需求声场模式的困难,拓宽治疗区域。     

球面近场声全息中的阵列传声器分布与球面数值积分

球形传声器阵列是实现封闭空间三维声场重构的测量前端,传声器在球形阵列面上的分布对三维声场重构的精度有重要影响。针对球面近场声全息方法,结合I.H.Sloan,Spherical t-designs,J.Fliege等球面数值积分法,检验传声器数目、传声器几何位置分布、积分权重、波数、基函数扩展项数、声场重构半径等参数对声场重构精度的影响。结果表明:Spherical t-designs球面数值积分法与其它积分法相比,在声场重构误差接近的情形下,允许传声器的数目和位置布置有更多的选择,并且在传声器数目一定时,各点积分权重相等,使得球面近场声全息中球面数值积分计算相对简单。     

基于纹影法的聚焦超声声场重建算法研究

为了从聚焦超声声场纹影图像直接重建声场声压分布图像,首先根据水中声波与光波的作用规律,利用Zernike相衬技术得到纹影系统中空间声压分布与纹影图像中光强的关系,再通过纹影系统获得聚焦超声声场实时图像,最后根据纹影系统的物理特性经过反投影重建算法重建出凹球壳聚焦超声换能器的空间声压分布。分析可知,理论声焦域横向与声轴大小分别为0.15 mm、1.4 mm,重建声场电功率为12 W时横向最接近为0.25 mm,30 W时声轴最接近为1.35 mm。与球壳换能器的理论声压分布进行对比的结果表明,该方法具有一定可行性,可以用于聚焦超声换能器的声场分布检测。     

界面条件下线型超声相控阵声场特性研究

开展了界面条件下线型超声相控阵声场特性的研究.将带有楔块的超声相控阵问题合理简化为液固界面的情况进行讨论.根据射线声学理论,计算了单阵元在液固界面存在时的辐射声场,进而推导了聚焦法则,得到了超声线型阵在液固界面存在时的声场、位移场表达式.对安装在楔块上的相控阵换能器的辐射声场进行了仿真,并讨论了聚焦对换能器轴向和横向声场的影响,结果表明利用聚焦能提高分辨率和灵敏度,但聚焦区域之外声束性能更差,在实际检测中要合理利用聚焦. 关键词： 超声相控阵 界面 声场 聚焦     

球面近场声全息中的阵列传声器分布与球面数值积分

球形传声器阵列是实现封闭空间三维声场重构的测量前端,传声器在球形阵列面上的分布对三维声场重构的精度有重要影响。针对球面近场声全息方法,结合I.H.Sloan,Spherical t-designs,J.Fliege等球面数值积分法,检验传声器数目、传声器几何位置分布、积分权重、波数、基函数扩展项数、声场重构半径等参数对声场重构精度的影响。结果表明:Spherical t-designs球面数值积分法与其它积分法相比,在声场重构误差接近的情形下,允许传声器的数目和位置布置有更多的选择,并且在传声器数目一定时,各点积分权重相等,使得球面近场声全息中球面数值积分计算相对简单。      

256阵元高强度聚焦超声相控阵系统误差与多焦点模式精确控制

对一种256阵元中心开孔凹球面二维相控阵合成三维多焦点声场进行了系统的误差分析,总结了阵元激励信号的幅度和相位误差对声场参数的影响规律,为上百阵元相控阵驱动控制提供了设计容差依据.分析表明:上百阵元相控阵在声场合成能力方面具有很强的鲁棒性,5位相位量化精度足以保证合成声场的有效性,误差主要影响声场焦域能量的分布,通过提高相控阵发射总声功率等途径降低幅度误差百分比可以有效减弱固定方差的幅度误差的影响.