凹面线性相控阵聚焦与扫描成像

研究了凹面线性相控阵聚焦声场的聚焦特性与扫描成像处理,首先对凹面线性相控阵聚焦声场进行了深入的分析,对凹面线阵聚焦中变迹处理、阵元间距及f数等参数对相控阵瞬态声场聚焦特性的影响进行了分析和讨论;然后,分析了相控阵聚焦声场在散射物体上产生的散射声场特性,得到了利用凹面线性相控阵进行线性查扫的B扫图像,在此基础上,利用凹面线性相控阵辐射声场在非均匀体上的散射声场进行了扫描成像研究和处理,针对实际管材质量的相控阵检测问题,得到了管材纵波扫描整个区域的检测图像.     

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....     

非近轴近似多高斯声束模型的相控阵换能器声场计算

针对近轴近似的多高斯声束模犁无法准确计算离轴区域声场的问题,我们提出了一个矩形源的非近轴近似多高斯声束模型,用于计算偏转聚焦时线性相控阵换能器辐射的声场.利用该方法计算了由矩形阵元组成的相控线阵的辐射声场,并与瑞利积分、近轴近似方法及夫琅和费近似方法进行了分析和对比,计算结果表明该方法克服了常规近轴近似条件的限制,可以准确、快速地计算较大偏转范围内的换能器辐射声场,在计算相控阵换能器偏转聚焦声场中具有独特的优势.     

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。     

高斯叠代法研究相控阵非线性声场

相控阵在聚焦超声治疗应用中不可避免地受到非线性影响,提出了采用高斯叠代法计算相控阵的非线性声场。在该方法中,利用预设焦点参数并应用伪逆矩阵算法得到阵元的激励参数;然后将阵元近似拟合成一组高斯声束的叠加,通过高斯声束叠代计算非线性声场。数值计算中以64阵元一维相控阵为研究对象;线性条件下,高斯叠代法结果与菲涅耳积分结果的误差低于0.5%,验证了该方法的可行性;单焦点及双焦点模式的相控阵非线性声场结果表明非线性效应能提高焦点聚焦性能,并且非线性效应与激励声压及激励频率成正比。      

热疗用环形平面换能器声场特性的研究

引入负声源，导出了环形平面换能器声场的简洁表示式，计算了单个圆环、多个同心圆环同时激励及环阵相控聚焦声源产生的声场，分析了环的宽度、环数及聚焦点位置等因素对声场特征的影响。提出根据各阵元在声场中某点产生的声压的相位来确定各阵元电激励信号的延时，此方法较根据各阵元到该点的平均声程确定各阵元电激励信号的延时，能更难确地在该点实现聚焦。     

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     

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.     

多元相控聚焦探测器的方向特性

研究了多元线性阵列探测器的主频、阵元个数和阵元间距对探测器方向性的影响.实验结果表明,采用主频为2～5 MHz,阵元数为5～15,阵元间距为0.3～0.9 mm的多元线性阵列探测器,其方向性好,将有利于光声信号的探测与成像.     

恒定束宽扬声器线阵列优化研究

为了保持恒定束宽扬声器(Constant beamwidth transducer,CBT)线阵列高频指向性恒定,解决单元间距过小的问题,减小阵元数目,提出了利用声波导代替扬声器单元,建立了波导CBT阵列的声场模型。基于数值计算结果和数据分析,比较了不同阵元数目的波导CBT阵列和CBT阵列的指向性和声场分布,讨论了有效辐射率和使用阵元数目的关系。通过提高有效辐射率可以有效降低CBT阵列所需阵元数目,解决了扬声器单元间距过小的问题。     

Ultrasonic beam focusing characteristics of shear-vertical waves for contact-type linear phased array in solid

We investigate the beam focusing technology of shear-vertical(SV) waves for a contact-type linear phased array to overcome the shortcomings of conventional wedge transducer arrays. The numerical simulation reveals the transient excitation and propagation characteristics of SV waves. It is found that the element size plays an important role in determining the transient radiation directivity of SV waves. The transient beam focusing characteristics of SV waves for various array parameters are deeply studied. It is particularly interesting to see that smaller element width will provide the focused beam of SV waves with higher quality, while larger element width may result in erratic fluctuation of focusing energy around the focal point. There exists a specific range of inter-element spacing for optimum focusing performance. Moreover, good beam focusing performance of SV waves can be achieved only at high steering angles.     

3D beamforming with ultrasonic divided-ring arrays

Conventional 2D arrays have a set of squared elements whose inter-element spacing is around lambda/2. This arrangement requires an excessive amount of electronic resources for the generation and processing of ultrasonic signals. In this work, the beam properties of a single divided-ring array are analysed theoretically with the goal of producing volumetric images. Divided-ring arrays are based on a circular pattern, which has a lower periodicity than square arrays, and this property allows increasing the element size while keeping the amplitude of the grating lobes at a reasonably low level. The paper emphasises several advantages of ring arrays, suggesting that these apertures are useful for 3D ultrasonic imaging. First, as the element size may increase, the number of elements can be reduced with little loss of emitting area. Second, ring arrays produce beams of large depth of field in both transmission and reception. This can be used to avoid the complexity associated with dynamic focusing.     

An ultrasonic multi-wave focusing and imaging method for linear phased arrays

To overcome the inherent limits of traditional single wave imaging for nondestructive testing,the multi-wave focusing and imaging method is thoroughly studied.This method makes the compressional waves and shear waves focused in both emission and reception processes,which strengthens the focusing energy and improves the signal-to-noise ratio of received signals.A numerical model is developed to study the characteristics of a multi-wave focusing field.It is shown that the element width approaching 0.8 wavelengths of shear waves can keep a balance between the radiation energy of two waves,which can achieve a desirable multi-wave focusing performance.And an experiment using different imaging methods for a linear phased array is performed.It can be concluded that due to the combination of the propagation and reflection characteristics of two waves,the multi-wave focusing and imaging method can significantly improve the imaging distinguishability of defects and expand the available sweeping range to a sector of-650 to 65°.     

平面相控阵的尺寸对声波聚焦效果的影响

对平面相控阵加上一定的时间延迟即可实现声波的聚焦的性质进行了研究，推出了平面相控阵的空间声压分布表达式，并采用数值分析法，探讨了相控阵的尺寸对声波聚焦效果的影响。为进一步研究相控阵打下了基础。     

Observing ultrasonic wave propagation by stroboscopic visualization methods

The generation of various wave modes by single element devices working in the range 2 MHz to 5 MHz is illustrated and the unwanted production of spurious wave modes identified. A linear four-element phased array is described with which beam steering can be clearly demonstrated. The mode conversion of waves which can occur during reflection at component boundaries, and the interaction of compressional waves with slots and internal defects of various shapes are displayed. The diffraction of compressional waves around an obstacle has been given particular attention, both in a solid and in water by the complementary schlieren technique. The results suggest that the transparent solid effects are very much more complicated than had been anticipated. The future value of these comparisons is briefly discussed in relation to the immersion and direct contact methods of material inspection.     

光纤干涉成像阵列全息相位校正研究

针对光纤传输和干涉成像阵列中的相位误差, 提出了一种基于特殊光子晶体的全息相位校正方法。首先分析了光纤干涉阵列成像的基本原理和相位信息的传输过程, 以一维线性阵列建立成像系统相位误差模型, 通过对参考光束和探测器前的快门交替打开和闭合, 来分别实现在晶体上写入由光纤阵列的出射光束与参考光束干涉形成的含有相位误差的光栅函数, 和光纤中出射光束被该光栅衍射和相位偏移以消除相位误差, 从理论上分析了上述基于光子晶体的全息法相位校正原理。最后采用所建立的含有相位误差的干涉阵列进行成像仿真, 对未加校正、采用本文方法和采用冗余基线校正的结果进行了对比分析。     

复合法布里-珀罗共振声学结构实现亚波长超声聚焦的研究

提出一种多通道的声学结构,实现超声平面波的亚波长聚焦。该声学结构由整数倍长度的亚波长孔径组成,所有的通道同时产生法布里一珀罗共振,含有亚波长信息的倏逝波与结构中的透射共振模式耦合放大,实现亚波长聚焦;进一步在结构表面添加凹槽,延拓结构表面的周期性,可提高特定频率处的透射增益和亚波长聚焦分辨率。研究结果表明该结构能够在宽频带实现亚波长聚焦,增加传输增益。该结构在医学超声成像以及治疗具有潜在的应用价值。      

亚波长间距理想导体球阵列近区时间反演电磁场的快速求解

为快速求解亚波长间距分布的理想导体球阵列近区的时间反演电磁场,提出一种基于等效偶极子模型的解析分析方法.首先,通过分析球面波照射理想导体小球的散射场解析解发现,散射场可以近似等效为电磁偶极子辐射场的叠加.等效偶极子的强度与初始激励源的幅度成正比关系.通过建立不同小球等效偶极子矢量间的耦合方程组可以直接求解得到相应矢量的大小.然后,结合时间反演腔理论得到相应的时间反演并矢格林函数,继而得到小球阵列近区的时间反演场分布.最后,通过与数值仿真软件的计算结果进行对比,验证了方法的正确性及高效性.研究表明,时间反演技术结合近场亚波长间距小散射体加载能够实现超分辨率的场聚焦.     

超小间距纳米柱阵列中的谐振调制

本文首先研究了具有通常柱间距（大于100 nm）的纳米柱阵列在近红外波段的光学特性并实现了通过改变阵列参数（如周期）来调制局域表面等离子体谐振. 随后,通过使用电子束直写和离子束刻蚀的方法制备出具有超小柱间距（小于50 nm）和超高密度（ultrahigh density）的纳米柱阵列并通过对表面等离子体谐振的调制实现了在可见光波段滤出不同颜色的单色光. 本文中所展示的纳米柱功能阵列可以与现有的数字光处理（digital light processing,DLP）技术相兼容进而构造具有超小像素的显示屏,可以在显示、成像等领域取得广泛的应用. 关键词： 纳米柱 超小间距 超高密度 显示     

基于时间反演电磁波的微结构天线的单频点超分辨力聚焦研究

提出了在时间反演技术条件下单频的电磁波信号可以实现超分辨力聚焦这一思路,并基于信道理论推导了该思路的可行性;基于传统的同轴探针结构建立了间距为1/4波长的微结构模型,仿真结果证实了该模型结合时间反演技术在单频信号和宽带信号激励时均可以表现出超分辨力聚焦特性,理论分析和仿真结果为单频以及多频带天线的超分辨力聚焦特性的研究提供了重要的指导作用。