微纳相控线阵超声换能器参数的理论分析*

微纳相控线阵超声换能器参数(阵元数目、阵元宽度及阵元间距)直接影响其横向声场分布,而其横向声场分布是能否实现高成像分辨率、大探测深度的决定性因素,也是制备换能器的主要依据。该文利用数值模拟研究微纳相控线阵超声换能器阵元参数对其横向声场中主瓣强度、-3 dB主瓣宽度、第一级旁瓣及栅瓣的影响。结果表明,主瓣强度随着阵元数目增加而增大,随阵元间距减小而增大,随着阵元宽度的增大呈现先增大后减小的趋势;-3 dB主瓣宽度随着阵元数目和阵元间距的增大而减小,随着阵元宽度的减小而减小;此外,减小阵元数目、减小阵元间距或增大阵元宽度均可以抑制旁瓣;栅瓣在阵元间距满足一定条件时可以完全消除。通过这些研究为微纳相控线阵超声换能器的优化设计与制备提供理论参考。     

二维超声阵列换能器声场的两种时域仿真模型比较

针对二维超声阵列换能器的声场仿真,以xMATRIX超声换能器结构为原型,设计仿真实验对分割阵元空间脉冲响应模型和离散点阵代表模型的计算精度、计算效率、影响参数和适用场合进行了分析比较.结果表明,分割阵元空间脉冲响应模型计算速度快,精度高,对阵元尺寸、阵元间距、聚焦深度及阵元高宽比例敏感,广泛应用于均匀介质中的声场仿真....     

水下应用的电容式微机械超声换能器阵列设计

为提高用于水下成像的电容式微机械超声换能器的指向性,文中用ANSYS力电耦合分析法设计了工作频率为400 k Hz的收发一体传感器的结构参数并完成了实验验证。同时研究了阵列设计方法,分析了电容式微机械超声换能器阵列各参数对指向性的影响,完成了从微小敏感单元到阵列的设计,实现了阵列指向性的优化设计。该阵列为16阵元的线阵,阵元间距为1.925 mm,阵元宽度为1.82 mm。进行了水下指向性测试,实验表明该线阵的-3 dB主瓣宽度为5?,最大旁瓣级为-13.5 dB,对称性好。该设计是实现较远距离的探测,提高成像分辨率的前提。     

硅油介质中矩形电容式微机械超声换能器发射与接收声场特性研究

与传统压电式超声换能器相比,基于微机电系统微加工技术制备的电容式微机械超声换能器(CMUT)具有频带宽、灵敏度高、一致性好、易于集成等优势,在医学超声成像中具有广阔的应用前景。该文针对研制的矩形CMUT器件,开展硅油介质中CMUT发射、接收声场特性的理论分析及实验验证研究。首先,针对CMUT阵元结构特征和工作原理,根据指向性函数理论和Bridge乘积原理,建立了矩形CMUT阵元指向性函数分析模型。此基础上,分析微元数目以及谐振频率对CMUT指向性的影响规律。最后,针对7 mm×7 mm二维矩形CMUT在硅油介质中的发射和接收特性进行了实验验证,测试表明发射指向性曲线与仿真理论曲线基本吻合;此外,CMUT接收与发射指向性的测试表明,收发指向性具有一致性,从而验证了声场的互易性。该文的研究对CMUT器件的封装设计以及基于CMUT阵列的乳腺超声CT成像系统的研制具有重要参考价值。     

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.     

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。     

任意阵形水声换能器阵辐射声场计算

本文用边界元的方法计算了阵形任意的水声发射换能器共形阵的辐射声场。在详细研究了边界元方法基本理论的基础上，采用Pro／ENGINEER软件与ANSYS软件相结合来建立换能器阵的边界元模型，再用SYSNOISE软件计算其辐射声场和辐射阻抗。这种声场计算方法可用于发射换能器阵设计阶段对设计结果进行预报。     

经颅超声刺激人脑海马的数值仿真研究

颞叶癫痫、阿尔兹海默症等神经系统疾病与大脑海马的异常放电相关。近年兴起的经颅超声刺激治疗脑疾病具有无创、能深入脑组织和可调控海马神经元放电的特点。该文基于128阵元相控阵换能器、人头颅CT数据、水体建立超声经颅刺激海马数值仿真模型,数值仿真优选适应于海马刺激的换能器结构参数,并结合电容模型,探究超声声学参数对海马神经元放电的影响。结果表明曲率半径90 mm、开口半径56 mm、阵元半径2.0 mm、频率0.9 MHz的128阵元相控超声换能器可形成适应于刺激人脑海马大小的焦域;且在超声频率为0.9 MHz时对海马神经元放电有较好的抑制作用;在较小的占空比和较低的空间峰值时间平均声强条件下对神经元放电有较好的抑制作用。     

带楔块二维面阵列超声相控阵声场特性分析

开展了带楔块二维面阵脉冲超声相控阵辐射声场特性的研究。将安装在一定角度斜楔块上二维面阵相控阵换能器声场问题简化为液固界面情况进行讨论。以单阵元在液固平界面条件下的辐射声场为基础,推导了聚焦偏转法则,给出了带楔块二维面阵超声相控阵声场计算方法。以检测材料为钢板,安装在倾斜角为36°有机玻璃楔块上的频率为5 MHz、8×8二维面阵相控阵的辐射声场计算为例,分析了在不同偏转角和不同聚焦深度下检测材料中的辐射声场特性。计算结果表明该方法可有效的分析带楔块二维面阵超声相控阵声场特性并用于指导二维超声面阵角束探头的设计。      

空气耦合电容式微超声换能器设计

建立了空气耦合电容式微超声换能器(CMUT)的理论方法,分析CMUT各个结构参数对其性能参数的影响。根据理论分析结果结合无损检测应用背景设计了一个由16个阵元构成的CMUT阵列,并采用SOI晶圆键合工艺制作。该阵列每个阵元包含16个圆形CMUT敏感单元,敏感单元的半径400μm,中心频率230 kHz。建立CMUT发射和接收瞬态仿真模型分别得到CMUT发射声压和接收灵敏度与激励电压的关系,并通过实验测试验证该仿真模型的准确性。最后通过实验对CMUT与商用压电空耦超声换能器的性能进行对比,实验结果表明CMUT的发射声压和接收灵敏度与商用换能器达到相同数量级,并且能够成功激发和接收铝合金板中A_0模态Lamb波。     

跑道线圈换能器在铁路重载货车探伤中的应用*

针对在线车轮超声探伤系统的工程应用,研究了跑道线圈电磁超声换能器由洛伦兹力换能机制在钢中产生的辐射声场。根据外磁场和线圈配置,将表面力源近似为非均匀的水平剪切力源,数值计算得到了此力源的辐射声场指向性图,并与实验结果进行比对,结果表明辐射的水平偏振横波具有中间强两侧弱的指向性,对理解跑道形电磁线圈超声换能器的辐射声场和在重载货车车轮辋裂缺陷探伤中的工程应用具有一定的指导意义。     

Modelling of the radiated field from multi-element capacitive micromachined ultrasonic transducers

This paper presents results from a theoretical model of the ultrasonic fields radiated by a 3x3 assembly of capacitive micromachined ultrasonic transducer (cMUT) sources on the same silicon substrate. These predictions have, for the first time, been compared directly to the fields measured experimentally using a scanned miniature detector. This work indicates that there is minimal cross-coupling between source elements, and demonstrates that it is possible to predict successfully the field characteristics of various geometries of such cMUT elements, with a view to the development of future imaging systems.     

瞬态波位移场计算方法在相控阵声场模拟中的实验验证

通过实验研究了声束偏转不同角度和声场半径变化时线性相控阵的声场特性,并与基于瞬态波位移解析解的相控阵声场计算方法得到的理论结果进行了对比。首先研究了基于半圆圆弧离面瞬态位移的声场计算方法,并进行了数值计算可靠性的优化。然后建立了一套相控阵瞬态波位移场的测量系统,以半圆形钢板为试件,纵波传感器为接收传感器,测量了偏转角度为-10°,-30°,-50°,-70°,及声场半径为50 mm,75 mm,100 mm和125 mm时线性超声相控阵的声束指向性;同时以基于瞬态波位移解析解的相控阵声场计算方法,计算了相同条件下该相控阵的声束指向性。最后将实验结果与理论结果进行了对比,取得了较好的一致。说明基于瞬态波位移的相控阵声场计算方法可以较好地计算线阵的声场,对于声束偏转较大角度和声场半径变化时也同样有效。      

Mode detection in turbofan inlets from near field sensor arrays

Knowledge of the modal content of the sound field radiated from a turbofan inlet is important for source characterization and for helping to determine noise generation mechanisms in the engine. An inverse technique for determining the mode amplitudes at the duct outlet is proposed using pressure measurements made in the near field. The radiated sound pressure from a duct is modeled by directivity patterns of cut-on modes in the near field using a model based on the Kirchhoff approximation for flanged ducts with no flow. The resulting system of equations is ill posed and it is shown that the presence of modes with eigenvalues close to a cutoff frequency results in a poorly conditioned directivity matrix. An analysis of the conditioning of this directivity matrix is carried out to assess the inversion robustness and accuracy. A physical interpretation of the singular value decomposition is given and allows us to understand the issues of ill conditioning as well as the detection performance of the radiated sound field by a given sensor array.     

在线超声检测系统中螺旋线圈换能器的应用*

针对在线车轮超声检测系统的工程应用,研究了圆形螺旋线圈电磁超声换能器由洛伦兹力换能机制在钢中产生的辐射声场。给出了涡流、等效表面力源和辐射声场的计算方法,分析了圆形螺旋线圈换能器在钢试块上的辐射指向性。结果表明,辐射的圆周径向偏振横波为两边瓣中空指向性,对理解圆形螺旋线圈换能器的辐射声场和在重载货车车轮轮辋在线辋裂缺陷检测中的工程应用具有一定的指导意义。     

Ultrasonic field radiated by a normal shear wave probe

The field of horizontally polarized ultrasonic shear wave radiated by a 2/2 piezoelectric composite normal probe was studied. The strictly analytic field solutions for two different surface forces were deduced and the field distribution and directivity patterns were given by numerical calculations. The vertical radiated field of shear wave was obtained theoretically and compared with experiment. The experimental result of directivity pattern conformed the theoretical prediction, which provided the theoretical basis for the engineering application of the transducer.     

环筋对水下平底圆柱壳的声振特性影响

本文建立了计算两端带平底板的有限长圆柱壳水中声辐射的FEM／BEM三维模型，探索了加筋的高度、宽度、数目对平底圆柱壳的辐射功率、辐射效率、法向声强、声场指向性的影响规律。计算方法是在有限元软件ANSYS中做加筋平底圆柱壳建模、模态分析基础上，将有关数据（网格、模态）导入边界元软件SYSNOISE中计算流体结构耦合状态下的辐射声场特性。结果表明：（1）随着环筋高度、宽度增大，激励点声压峰和法向声强峰在0-400Hz频率范围内数目减少且峰向高频方向移动，同时辐射声功率在减小（除个别模态峰值外），而辐射效率随筋高增大而增大。（2）环筋数目的增加使激励点辐射声压和法向声强峰数目明显减少，使辐射声功率明显低于无筋圆柱壳的辐射声功率，辐射效率随环筋数目增大而增大。（3）环筋宽度变化对声场指向性影响不大；圆柱壳声场指向性随环筋高度和数目增加出现较大变化，尤其是在研究的频段内的f=51Hz和f=301Hz上。这对于水下结构辐射噪声预报以及噪声抑制具有重要意义。     

3-D Model of sound pressure field in a meridinal section plane of fruit

A theoretical model was suggested for qualitative evaluation of a sound pressure field in fruit tissue, as affected by ultrasonic probe dimensions and fruit properties. The classic directivity pattern of an ideal fluid model, expressed by Bessel function of the first kind, was extended to include energy dissipation of a real material. The directional characteristics of wave propagation, as influenced by transmitter frequency and diameter, and by fruit properties, were discussed. The model indicates how to select the parameters of the ultrasonic transducer (transducer diameter, frequency and excitation power) to control the magnitude and directivity of the ultrasonic waves in the fruit tissue. The suggested theoretical model represented fairly well the experimental sound wave distribution over the half-cut surface of potato and avocado (R² > 0.862 and 0.977, respectively); the same theoretical model could not represent the sound wave distribution over a half-cut melon. Results of the study were applied in a new probe design for ultrasonic testing of whole fruit.