超声数字式相控阵换能器动态聚集系统研制

本文是研制超声相控阵换能器动态聚焦系统,它包括数字式多通道信号发射系统和两种超声相控阵换能器。用数字式多通道信号发射系统产生多路数字信号,通过改变每路信号的时延（相位）,控制相控换阵换能器的各个阵元,使它们发出的声束在空间某点聚焦。我们对这两种相控阵进行了实验测量,结果表明,用数字控制的相控阵换能器,可以实现精密的动态聚焦,并可取得良好的聚焦效果。     

随机相控高强度聚焦超声换能器的栅瓣抑制

采用3种随机排列策略形成相控阵元线性排列结构抑制高强度聚焦超声(HIFU)相控阵栅瓣。第1种和第2种策略中阵元基于规则排列随机移动,而第3种策略中阵元则直接进行随机移动,阵元可移动范围依次为:第1种<第2种<第3种。采用瑞利积分和非线性Westervelt方程分别计算了3种策略对应随机相控阵产生的线性和非线性声场,并通过归一化栅瓣最大声压、归一化栅瓣平均声强和归一化旁瓣平均声强3个参量,对栅瓣抑制效果进行评价。结果表明:线性声场中,阵元可移动范围的增加有利于栅瓣抑制,3种随机策略的归一化栅瓣最大声压相比规则排列分别降低30.7%,53.8%和55.8%;非线性声场中对于同一种随机排列策略,随机度的增加可以改善栅瓣抑制效果。例如,第3种随机策略在随机度为0.9时正负压的归一化栅瓣最大声压相比规则排列分别降低55.6%和54.8%。进一步讨论了焦点偏移时随机相控阵的非线性声场,以-8 dB作为栅瓣的安全标准,第2种和第3种随机策略可以满足要求,横向偏移分别为6 mm和10 mm。本文的工作为抑制栅瓣提供了新思路,有利于随机HIFU相控阵的设计优化。     

相控阵超声接收动态聚焦算法及其物理实现

本文提出一种新的相控阵接收动态聚焦的实现方案,在传统的单接收聚焦点接收的基础上,把各换能器单元接收信号的补偿位置计算出来,在各通道数据叠加前将数据动态补偿,实现各个采样点都接收动态聚焦。在工程上,实际检测深度有一定范围限制,补偿点数其实并不是太大,所以方法具有可实现的条件。并且在计算补偿点时,可以使用楔块折射后的声波传播路径,使在折射的条件下也可成功动态聚焦。本文提供了计算补偿点的方法,最后给出了计算机仿真对比和物理实现方案,仿真结果可以看出成像效果与传统单点聚焦相控阵对比有了显著提高。提出的动态聚焦的方法很大地改善了成像质量,方法具有实用价值。     

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。     

圆柱类构件超声相控阵聚焦模型

在利用平面相控阵超声换能器对圆柱类构件检测时,受曲界面结构引起的入射波和回波时延的影响,扫描声束的波阵面产生弯曲,在利用传统迭代遍历算法计算延迟时间时效率低,无法发挥相控阵换能器检测优势。针对上述问题,建立了一种基于圆柱类构件特征和耦合介质特性的超声相控阵扫描成像的聚焦模型。该模型基于换能器、耦合介质、圆柱类构件材料特性和几何关系以及声线模型和折射定律,建立了耦合介质及被检构件的声速、曲面曲率半径、阵列与曲面间的距离等关联的延迟时间聚焦控制模型。利用该模型计算出的延时时间,对各阵元发射时间进行控制,从而实现扫描声束的聚焦。该文以液体和有机玻璃制介质楔块为例,对圆柱钢曲面的相控阵声束聚焦进行了仿真实验,结果表明该文方法计算效率显著提升,同时声束可以在预设位置实现聚焦,验证了该模型在计算效率上的优势与有效性。     

基于聚焦换能器的超声透射CT技术*

超声透射CT技术能够重建物体横断面的图像,为了重建高质量图像,分别从换能器和图像重建算法两个方面展开研究。分析了弧形线聚焦换能器焦域处聚焦切片尺寸与换能器几何尺寸的关系及其对CT检测的影响。搭建了超声透射CT检测系统,以等角扇形束的扫描方式获取投影数据,并利用滤波反投影和最小二乘正交分解两种算法重建图像,对比发现最小二乘正交分解算法通用性更强,成像质量更佳。实验结果表明,利用聚焦换能器并结合最小二乘正交分解算法对物体进行CT检测,能够取得较好的成像结果,检测分辨力可达毫米量级。     

高频聚焦换能器声场的激光测量法

本文描述了一种使用激光测振技术测量高频聚焦换能器声场布的方法，并给出了使用该方法对一种高频聚换能器进行测量的结果，通过理论计算对结果的正确性进行了验证。     

多通道超声相控阵驱动控制系统设计

低强度经颅聚焦超声是一种利用脉冲聚焦超声调控脑神经元的治疗技术。为抑制人颅骨的非均质性和个体结构差异影响,须对多阵元相控阵聚焦换能器的各阵元进行参数调控实现经颅精准定位聚焦,各阵元参数调控需通过相位控制和驱动电路系统来实现。该文设计并搭建了一种基于直接数字式频率合成技术的多通道相位、幅值独立可调的相控驱动系统。实测结果表明,可实现正弦波和方波高精度相控输出,输出信号电压峰峰值在0~37.5 V可调,相位分辨率为0.1°,延时误差小于1 ns,可满足多阵元相控阵聚焦换能器驱动及其所需相位分辨率的需要。     

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.     

活塞式换能器聚焦超声场的级数描述

本文采用一种级数表达的方法,来解析地研究由圆片活塞式换能器产生的聚焦超声场.考虑一个带有声凹透镜的圆片活塞式换能器,将其活塞面上的振速沿径向分布分解成为一系列高斯函数的叠加,而其每一项高斯函数所对应的声场分布都能用解析式表达,经过叠加则就可求得圆片活塞式换能器的聚焦超声场的声压分布.与用通常的数值积分直接计算结果比较表明,二者的误差甚小,而利用高斯声场叠加进行处理的解析方法显然具有简捷,物理图像明晰的优点。     

浅海低频垂直相控阵多模声场聚焦研究*

为了提高低频垂直相控阵声场聚焦的环境适应性,增强环境失配情况下的声场聚焦效果,提出一种多模声场聚焦方法。该方法利用环境失配对低阶模态影响相对较小的特点,只利用前3阶模态进行发射权系数的计算。仿真结果表明,多模声场具有较大的聚焦跨度,在环境失配情况下仍能在期望的聚焦位置实现良好的聚焦效果。进一步地,根据巴斯微扰理论计算分析了多模声场的混响特性。由于多模声场聚焦将能量集中到了掠射角较小的低阶模态中,因此比最优权系数聚焦具有更低的混响平均强度。多模聚焦对聚焦深度进行扫描可以实现目标的深度分辨,这在水下目标探测方面具有较高的应用前景。     

超声相控阵距离幅度曲线计算方法

超声相控阵偏转聚焦声场能量分布不均匀,造成不同位置的缺陷回波幅度差异,针对该缺陷量化问题,提出超声相控阵系统距离幅度曲线理论计算方法。在非近轴近似声场模型的基础上,结合缺陷散射模型来建立相控阵系统测量模型,再利用该方法来预测不同位置横通孔缺陷的回波信号,进而获得信号幅度随位置的变化曲线。分析对比了不同偏转聚焦声束理论计算结果与实验测量结果,两者幅度在焦点附近具有较好的一致性,偏差在5%以内,验证了超声测量模型计算方法的有效性。     

带斜楔相控声束偏转聚焦延时特性研究

带斜楔的相控阵超声检测广泛应用于低碳钢薄壁工件焊缝的检测,研究带斜楔的相控阵超声偏转聚焦检测延时法则和对应的声场将使检测可靠性进一步提高。本文利用费马原理探究了相控阵超声探头辐射声波至楔块中,在楔块-工件平面界面发生模式转换入射到工件中的横波聚焦时各阵元延时的计算方法,数值求解指定焦点时各阵元的延时,并利用计算得到的延时进行声场仿真和实验测量,发现声波能很好的聚焦在目标点,仿真和实验结果吻合。     

Nonparaxial multi-Gaussian beam models and measurement models for phased array transducers

A nonparaxial multi-Gaussian beam model is proposed in order to overcome the limitation that paraxial Gaussian beam models lose accuracy in simulating the beam steering behavior of phased array transducers. Using this nonparaxial multi-Gaussian beam model, the focusing and steering sound fields generated by an ultrasonic linear phased array transducer are calculated and compared with the corresponding results obtained by paraxial multi-Gaussian beam model and more exact Rayleigh-Sommerfeld integral model. In addition, with help of this novel nonparaxial method, an ultrasonic measurement model is provided to investigate the sensitivity of linear phased array transducers versus steering angles. Also the comparisons of model predictions with experimental results are presented to certify the accuracy of this provided measurement model.     

Excitation of ultrasonic Lamb waves using a phased array system with two array probes: Phantom and in vitro bone studies

Long bones are good waveguides to support the propagation of ultrasonic guided waves. The low-order guided waves have been consistently observed in quantitative ultrasound bone studies. Selective excitation of these low-order guided modes requires oblique incidence of the ultrasound beam using a transducer-wedge system. It is generally assumed that an angle of incidence, θ_i, generates a specific phase velocity of interest, c_o, via Snell’s law, θ_i = sin⁻¹(v_w/c_o) where v_w is the velocity of the coupling medium. In this study, we investigated the excitation of guided waves within a 6.3-mm thick brass plate and a 6.5-mm thick bovine bone plate using an ultrasound phased array system with two 0.75-mm-pitch array probes. Arranging five elements as a group, the first group of a 16-element probe was used as a transmitter and a 64-element probe was a receiver array. The beam was steered for six angles (0°, 20°, 30°, 40°, 50°, and 60°) with a 1.6-MHz source signal. An adjoint Radon transform algorithm mapped the time-offset matrix into the frequency-phase velocity dispersion panels. The imaged Lamb plate modes were identified by the theoretical dispersion curves. The results show that the 0° excitation generated many modes with no modal discrimination and the oblique beam excited a spectrum of phase velocities spread asymmetrically about c_o. The width of the excitation region decreased as the steering angle increased, rendering modal selectivity at large angles. The phenomena were well predicted by the excitation function of the source influence theory. The low-order modes were better imaged at steering angle ?30° for both plates. The study has also demonstrated the feasibility of using the two-probe phased array system for future in vivo study.     

基于热声相控阵列的声聚焦效应

研究基于热声相控阵列的宽频带声聚焦效应.设计新型热声相位控制单元,通过改变单元的空气温度控制声波波速,实现声波透射与反射相位延迟覆盖2π区间.设计四种不同类型的热声相控阵列聚焦透镜,采用8种或2种热声相位控制单元分别实现了透射与反射声聚焦效应.与其他类型的声聚焦透镜相比,热声相控阵列聚焦透镜具有宽频带、高聚焦性能、设计方案简单等优点.     

楔块中脉冲声场及相控阵成像自检研究

相控阵横波检测必须在换能器前方加上楔块,对于楔块中的声场进行研究具有重要意义。本文通过数值计算和物理实验研究了超声相控阵楔块中的脉冲声场,分析并解释了超声相控阵系统自检成像过程中各种波形的产生机理和转换过程。首先从固体中超声传播理论出发,采用时域有限差分方法对相控阵楔块中各阵元独立发射条件下的脉冲声场进行仿真计算,给出了超声脉冲在楔块中的传播过程;然后开展了对应边界条件下相控阵楔块的B模式成像实验。数值模拟和物理实验的结果基本一致。本文的研究初步展示了楔块中的脉冲声场,其结果可为超声相控阵系统自检和楔块设计提供参考。     

Optimal ultrasonic array focusing in attenuative media

This paper presents a parametric study on the efficiency of ultrasound focusing in an attenuative medium, using phased arrays. Specifically, an analytical model of ultrasound wave focusing in a homogeneous, isotropic and attenuative fluid with point sources is presented. Calculations based on the model have shown that in an attenuative medium, an optimum frequency exists for the best focusing performance for a particular size of aperture and focal distance. The effect of different f numbers on the focusing performance in the attenuative medium is further investigated. The information obtained from the analytical model provides insights into the design and installation of a phased transducer array for energy efficient wave focusing.