应用于微电容超声换能器的信号处理电路设计*

针对微电容超声换能器的输出信号特征及检测要求,文中设计了换能器的微弱信号处理电路,包括基于跨阻的微弱电流信号检测和多重反馈带通滤波电路。通过搭建水下测试平台,对电路性能及功能进行实际测试,并进行水下测距实验。实验结果表明,该电路可对微电容超声换能器输出的400 k Hz信号进行检测放大与滤波;电路的线性度为0.18%,滤波电路中心频率为396 k Hz,带宽为55 k Hz。该电路可用于CMUT的接收信号处理并应用于超声测距及成像的前端信号处理。     

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。     

超声探头的响应特性及暂态回波模型

建立检测系统的数学模型,可以更好地理解超声检测的物理本质。分析了超声波从产生、介质中传播、缺陷耦合以及接收的全过程,将缺陷回波表示为探头响应函数与缺陷响应的时域卷积。利用空间脉冲响应和基尔霍夫近似建立了超声波与平面型缺陷的耦合模型,用大平面试块底面回波和大平面响应进行反卷积求得了探头的响应函数,并详细分析了探头在不同偏置位置时不同大小缺陷响应的特点,发现缺陷回波由直达回波和边缘回波组成,直达回波和边缘回波极性相反,且直达回波的幅值远远大于边缘回波。      

格子玻尔兹曼方法对不同张角聚焦声束的建模

高强度聚焦超声(HIFU)是一种新型的无创治疗肿瘤新技术,其中换能器声场数值计算能够为HIFU治疗提供重要的依据。传统非线性KZK和SBE模型广泛应用于换能器声场数值计算,但依然存在某些不足。我们采用一种介观尺度的新型流体力学方法,即格子Boltzmann方法(LBM),基于2维9离散速度(D2Q9)格子构建了轴对称多弛豫参数LBM模型,并通过调节弛豫参数分析其对模型的影响;利用该模型对两个具有不同张角的球面聚焦换能器的声场进行数值模拟,并与KZK和SBE模型的计算结果进行比较。结果表明LBM模型能够很好地描述超声波的激发和传播机制,从流体力学的角度描述聚焦声场的分布,具有清晰的物理意义,且计算过程不受换能器张角的限制,在换能器声场的理论分析和模拟计算及其在HIFU治疗中的应用有着积极的意义。      

声腔对电动式换能器工作特性的影响

传统的电动式换能器设计理论中,未考虑压力补偿系统等声腔结构对声学性能的影响,声源级理论设计结果与实测结果存在较大差别.研究中将电动式换能器内部的三段气腔视为突变截面声腔结构,给出了声腔的四端网络等效电路,将其作为辐射面的负载添加到电动式换能器的传统等效电路中,获得了电动式换能器改进的等效电路.基于改进的等效电路求解了带...     

基于球壳内壁反射的球形换能器自易校准方法

基于球形换能器发射的脉冲球面声波及其在同心球壳内壁的反射,应用机电互易定理,导出了在球面波发射回波声场中,用于校准球形换能器的互易常数.以此为基础,提出一种使用封闭球壳反射器的自易校准方法,通过一次测量即可得到球形换能器的5个基本电声参数.进一步,将自易法校准所得的电压灵敏度换算成平面波声场中定义的标准灵敏度,给出了换...     

PZT厚膜及高频超声换能器的研究

近年来,基于PZT厚膜的超声换能器研究受到了广泛的重视。本文综述了PZT厚膜制备技术的发展情况,简要介绍了水下声纳和医用超声领域中PZT厚膜型高频超声换能器的应用研制进展。     

Focusing of Time Reversal Lamb Waves and Its Applications in Structural Health Monitoring

The focusing of time reversal acoustic fields for dispersive and multimodal Lamb waves is theoretically investigated and experimentally verified. It is demonstrated that the time reversal Lamb wave signal will reach the maximum amplitude when the observation point is located at the damage location. Based on the time reversal focusing theory, a damage imaging method is proposed for structural health monitoring using Lamb waves. The experiments employ a transducer network consisting of four piezoelectric transducers as actuators and as well sensors for excitation and measurement of Lamb waves. The results show that this method is able to accurately predict damage location and provides an estimation of the possible area even for damage close to one of the transducers or even slightly outside the transducer network.     

A Simple and Accurate Method for Calculating the Gaussian Beam Expansion Coefficients

The calculation of the diffraction field radiated from the ultrasonic transducer can be simplified by using the Gaussian beam expansion technique. The key problem of this technique is how to determine the coefficients of Gaussian functions. We present a simple and accurate optimization method to calculate the Gaussian beam expansion coefficients, Half of the coefficients are obtained by solving linear equations. The other half are derived from the Fourier series expansion. Wave field simulation results demonstrate the validity of the new method.     

2008年全国声学学术会议在上海召开

2008年全国声学学术会议于2008年10月22- 24日在上海市召开,本次会议主题为:创新与和谐——新世纪的声学。来自全国声学界的专家、学者、工程技术人员的代表385人参加了会议。中国声学学会领导与8位声学相关领域的院士参加了会议,