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。     

Schlieren成像和声场可视化

Schlieren技术是利用声场引起透明媒质光折射率的变化而实现声场可视化的光学成像技术。它具有对声场无干扰、快速、瞬态成像的特点。本文利用二维光学Fourier变换分析了Schlieren技术的成像原理,在采用连续激光和高速ICCD的Schlieren成像系统中,实验研究了平面波声场和线聚焦声场中换能器光学校准方法和声压的定量检测技术。发展声场瞬态和动态成像技术,观测了声波的聚焦过程和固-液界面的声场分布和变化。这些结果表明Schlieren技术是一种有效的声场可视化和定量检测的光学成像技术。     

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。     

声源分布和超声频率对清洗声场均匀性的优化*

驻波和换能器指向性等影响声场均匀性,造成清洗死角,影响清洗效果。采用COMSOL仿真软件建立了单个换能器位于底部的三维模型,通过染色法实验结果验证模型的有效性。研究了换能器同时位于底部和侧面、多排换能器位于底部时的声场,用声压幅值相对标准差来量化均匀性,发现该两种换能器分布方式能够有效优化声场均匀性。通过调节频率研究频率对声场的影响,进一步优化声场均匀性。对声源分布的确定、频率的选择以满足声场均匀化需求有指导意义。     

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。     

激光反射全息技术在超声换能器近场测量中的应用

研究了基于光学反射层析法的超声换能器近场测量方法。介绍了激光反射层析法测量超声场声压分布的原理,建立了一套实验测量系统,利用激光测振仪完成了对一多基元平面活塞换能器近场声压的测量,得到了该换能器辐射面附近声压的幅度和相位分布。使用探针式水听器对相同位置处的声压进行了直接测量,验证了激光层析法测量结果的正确性;声场反演结果进一步表明使用激光反射层析法适用于对换能器辐射面声压分布和阵元工作状况进行预报。      

1-3型二维柱形凹面线聚焦换能器声场特性

设计并研制了柱面结构的1-3型复合材料凹面线聚焦换能器,在提高换能器带宽的同时,可以实现声场的线聚焦。将换能器内部PZT柱作为独立声源,应用瑞利积分和叠加原理,推导出了柱形凹面换能器总声场的理论表达式。通过仿真计算分析了换能器在聚焦线上的声场特点以及相关参数对聚焦性能的影响。对换能器参数做出合理设计,使换能器在实现线聚焦的同时,声场在聚焦线上的起伏较小,从而设计并制作出聚焦性能良好的线聚焦凹面换能器探头。实验测试结果表明采用本文方法计算得到的换能器声场与实测的声场分布基本符合,柱形凹面换能器在其几何焦点附近范围内均可实现聚焦,并在侧向上形成清晰的聚焦线,其聚焦线长度为换能器的侧向结构长度,在聚焦线上声场分布起伏较小。      

基于高温超导脉冲变压器的脉冲电源测控系统

为了监测脉冲电源的放电特性、控制脉冲电源的可靠工作,采用现代测试技术、虚拟仪器技术和数据库技术,设计了基于高温超导脉冲变压器的脉冲电源测控系统,硬件系统由计算机、单片机、数据采集卡、驱动电路板和电压电流传感器等组成,软件系统采用LabVIEW来进行设计.在脉冲电源的测量算法中,采用基于EEMD的消噪算法,消除了噪声,采用基于最小二乘法的数据拟合算法,准确的测量出脉冲电源电流的峰值、脉宽等参数.实验结果表明,该系统可以实时监测和控制脉冲电源的工作过程,实现了电参数的在线测量和整体系统的闭环控制.     

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。     

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.     

复频聚焦超声换能器水中焦区商场特性的研究

本文对新研制的一种复频聚焦超声换能器的辐射声场进行了实验研究,测定了辐射压在轴向上的分布曲线,进而确定了焦区位置,这与理论所得结果符合较好,测定了辐射声压在焦平面上的分布曲线,并对焦区声场进行了定位,最后对换能器在水中焦区辐射声的频谱进行了研究,不仅观测到了两个源波,而且还观测到了和频波,差频波以及倍频波,证实了声散射声效应的存在。     

球壳换能器电声效率测量方法及声场特性分析

在高强度聚焦超声治疗系统中,换能器的电声效率是治疗剂量控制中的重要参数,其在焦域附近的声场分布同样重要。该研究以球壳聚焦换能器为研究对象,基于辐射力天平法与平面扫描法进行输出声功率的测量,同时测量其激励电功率后计算得到电声效率,并就其声场特性分布以及存在的非线性传播现象进行了简单阐述。两种测量方法测得的电声效率在声学计量的误差允许范围内,实验结果表明两种方法在测量球壳聚焦换能器输出声功率时具备较好的一致性。     

A new type of high power composite ultrasonic transducer

A new type of high power composite ultrasonic transducer was proposed and studied. The composite transducer consists of a sandwich longitudinal piezoelectric transducer, an isotropic metal hollow cylinder with large radial dimension, and the front and back metal radiation mass. By means of its special structure and Poisson’s effect, the composite transducer can produce vibrations both in its longitudinal and radial directions, and therefore, it can radiate sound waves in three-dimensional space. The electro-mechanical equivalent circuit of the composite transducer was derived and the resonance frequency equation was obtained analytically. Numerical methods were used to simulate the vibration of the composite transducer, and the vibrational displacement distribution, the resonance frequency and the radiation sound field are given. Some composite transducers are designed and manufactured; their resonance frequencies and the radiation acoustic field are measured and compared with the analytical and numerical results. It can be seen that the measured frequencies and acoustic field contour are in good agreement with the analytical and numerical results. It is expected that this kind of composite ultrasonic transducer can be used in more and more power ultrasonic applications, such as ultrasonic cleaning, ultrasonic extraction, ultrasonic sonochemistry and other ultrasonic liquid processing, where high ultrasonic power and large ultrasonic processing space are needed increasingly.     

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     

cMUT阵元的声学分析与环形扫描成像

电容式微机械超声换能器(cMUT)具有宽带宽、灵敏度高、机械阻抗低和与电子电路集成制造等优点.由于超声换能器声场设计的好坏决定了成像质量的优劣,为了明确阵元参数与辐射声场的关系,该文对不同的阵元参数进行了计算仿真.与压电陶瓷超声换能器的结构不同,cMUT阵元是由多个电容单元(cell)并联构成.因此分析了cell的半径...     

基于超声相控阵的环焊缝缺陷检测方法研究

针对传统超声探头焦距固定,检测位置的改变就要更换相应焦距的探头而影响检测效率的问题,提出一种基于超声相控阵换能器的环焊缝缺陷检测方法。而超声相控阵具有电子偏转和电子聚焦特性,能在不移动的情况下发射偏转聚焦超声束,有效地解决了上述问题。首先基于超声相控线阵换能器的声场特点,采用数值分析方法,研究了影响声束偏转聚焦性能的几个主要参数。然后给出了与超声相控阵换能器相连接的多通道数据采集系统结构。介绍了单通道声信号的硬件结构及相应的信号处理方法,实现了对换能器中单个阵元的精确延时的控制。实验结果表明,优化设计的超声相控线阵换能器具有较高的检测精度和检测效率。     

Use of focused ultrasonic receivers for remote measurements in biological tissues

The feasibility of using a focusing ultrasonic transducer as a sound pressure receiver is discussed. It is shown theoretically that, at certain angular apertures of the receiver, its output signal is proportional to the sound pressure in the field point coincident with the receiver center of curvature. The receivers of this type have been demonstrated suitable for remote measurements of field spatial distribution of plane and focused ultrasonic radiators. Data are presented on the experimental testing of focused receivers in measuring acoustic fields in water, air, and certain samples of biological tissues. The instruments are sufficiently universal and allow the measurement not only of acoustic fields, but also of temperature increments in locally heated media, as well as permit one to follow the initiation and development of ultrasonic cavitation and study nonlinear effects. The remote sensing ability and high sensitivity of focused ultrasonic receivers allow their practical use in biomedical acoustics for noninvasive measurements.     

高频聚焦超声声场和温度场的仿真研究

为探究临床常用的7 MHz高频聚焦超声在多层生物组织中的声传播以及毫秒级时间内的生物传热规律问题,基于Westervelt方程和Pennes传热方程,使用有限元方法建立高频聚焦超声辐照多层组织的非线性热黏性声传播及传热模型。首先分析了线性模型和非线性模型之间的差异,然后在非线性模型下探究换能器的参数对声场和温度场的影响。仿真结果显示：在7 MHz频率下,当换能器输出声功率超过5 W时,声波传播的非线性效应不可忽视(p <0.05);当声功率从5 W增大到15 W时,非线性模型与线性模型预测的温度偏差从20%增加到34.703%;高频聚焦超声波的非线性行为比低频更加显著,基频能量向高次谐波转移的程度增大,声功率为10 W和15 W时4次谐波与基波之比分别达到7.33%和12.12%;高频换能器参数的改变对组织中声场和温度场分布的影响较大,换能器焦距从12 mm减小到11.2 mm,焦点处最高温度增加了77%。结果表明,7 MHz聚焦超声的非线性声传播需要考虑到4次谐波的影响。该文提出的多层组织非线性仿真模型可为高频聚焦超声换能器参数优化及制定安全、有效的术前治疗方案提供理论参考。     

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.