经颅磁刺激线圈半径对深度感应电场分布影响

8字形线圈由于结构简单 ,常用于经颅磁刺激中。故根据磁刺激线圈感应电场理论 ,对不同半径的 8字形线圈 ,计算其刺激深度感应电场分布 ,研究表明线圈半径是影响感应电场分布和聚焦性的重要参数 ,其变化规律可为经颅磁刺激线圈设计提供了理论依据。     

经颅超声聚焦方法和声场特性研究

基于高分辨的CT数据建立了非均匀颅骨仿真模型,该模型引入了颅骨的声衰减系数,深入研究和分析了声波时间反转法和超声相控阵法在颅脑中的聚焦方法及效果。颅骨具有较强的声波衰减特性,使用时间反转聚焦时需要进行幅度补偿,对于0.7MHz的频率信号,幅度补偿后的时间反转聚焦声场主瓣宽度窄、旁瓣低,焦点处声场比无幅度补偿的时间反转法提高8.86dB,比超声相控阵聚焦法提高7.89dB,具有很好的空间聚焦精度和聚焦效率。研究了颅骨衰减系数、声场焦点位置、声波频率、换能器阵列位置和方位等参数对聚焦声场的影响,结果表明,幅度补偿时间反转法比相控阵法具有更低的旁瓣,且高频时的聚焦效果比相控阵好,相控阵聚焦对换能器阵列的位置和方位比较敏感,而时间反转经颅超声聚焦对声传播路径和入射角具有更高的鲁棒性。      

线圈空间位置对磁刺激感应电场聚焦性的影响

磁刺激是利用变化磁场产生的感应电场作用于可兴奋人体组织的过程。根据磁刺激线圈感应电场理论,研究8字形线圈摆放结构、线圈间距等空间位置的变化,对其刺激深度感应电场聚焦性的影响,结果表明线圈空间位置直接影响感应电场聚焦性,其实验规律可为磁刺激线圈设计提供理论依据。     

剪切波对时间反转调相的经颅聚焦超声的影响*

为研究颅骨中的剪切波对经颅聚焦超声的影响,该文利用Kelvin-Voigt固体声波方程并结合时间反转法,分别模拟了考虑剪切波和不考虑剪切波时,256-单元平面相控阵为实现超声经颅聚焦所需的相位调控,并将这两种相位调控都分别作用于考虑剪切波和不考虑剪切波时的聚焦情形。对这两种相位调控以及基于它们的经颅聚焦超声场的对比分析结果表明:聚焦深度较大时,剪切波对基于时间反转进行的相位调控影响较小;不过,剪切波对经颅聚焦超声场的强度分布影响较大,忽略剪切波会导致对焦域处声场聚焦强度的高估以及对颅骨附近声能量沉积的低估。     

时间反转方法用于高强度聚焦超声的焦点偏移补偿

传统的高强度聚焦超声(HIFU)治疗中实际焦点和预设焦点容易出现偏移,为考察时间反转方法对HIFU治疗中焦点偏移的补偿效果,采用时域有限差分方法求解Westervelt方程,建立高强度聚焦声场数值模型。数值计算得到在人体软组织中进行HIFU治疗时,采用时间反转方法后焦点偏移距离最大仅为1.6 mm。脂肪层厚度及声源强度改变对时间反转聚焦精度影响不大,F数(焦点距离同换能器孔径的比值)降低时,焦点偏移减小。研究表明在人体软组织吸收系数和非线性系数范围内,时间反转方法可有效补偿焦点偏移,达到更好的聚焦效果。      

非均匀组织医学超声发射声场仿真

为了分析医学超声在非均匀组织中的分布特性,建立了超声发射声场的计算模型。采用交错网格有限差分法对耦合超声非线性方程进行数值求解,获得了声速、密度及非线性参数非均匀分布情况下人体腹壁组织内的超声声场分布数据。同均匀介质相比:当声速均匀而密度非均匀时,声束仍聚焦良好,焦点处声能下降了1.8 dB;当密度均匀而声速非均匀时,声束发散严重,焦点处声能下降了3.8 dB,下降程度与非均匀组织接近。组织声速在空间分布的非均匀性是导致聚焦声束能量分布畸变的主要原因。      

超声相控阵在多层媒质中的声场模式优化

针对超声在多层媒质中的传播特性,引入相位补偿因子并结合遗传算法, 提出了一种可对多层媒质进行声聚焦控制的方法.利用该方法对16×16二维超声相控阵在多层生物媒质中的多焦点声场模式进行了仿真,计算了生物媒质不同厚度层和不同吸收系数时的声场. 结果表明:该方法能优化多焦点声场模式,抑制旁瓣,提高声场增益,将声强最大限度地聚焦在目标区域内; 改变生物组织不同层的厚度和不同层的吸收系数,焦点位置不发生变化,但焦域内的声强会有所变化.     

焊缝结构中超声相控阵聚焦声场的数值模拟及分析*

针对焊缝内相控阵声场聚焦问题,建立焊缝结构中多高斯声束法的相控阵声场计算模型,分别用直接聚焦和底面反射聚焦两种方式对焊缝内部的相控阵声场进行数值模拟,分析不同方式下的相控阵聚焦声场特性,讨论不同区域适用的聚焦方式,分析了界面倾斜角度对聚焦效果的影响。结果表明,在相同焊缝结构条件下直接聚焦的方式更适合对厚壁焊缝的中下部进行聚焦扫描,在焊缝上表面附近,当声束偏转角大于80°时,直接聚焦方式无法有效聚焦;反射聚焦的方式更适合对焊缝上表面附近区域进行聚焦扫描,随着焦点深度增加,反射聚焦的声束偏转角增大,当声束偏转角大于55°时,反射聚焦无法形成明显焦点;两种聚焦扫描方式可形成有效的互补。当设置的焦点固定时,直接聚焦的实际焦点随界面倾斜角度增大向预设点远处偏移,而反射聚焦的效果基本不受倾斜角的影响,实际焦点始终在预设焦点附近。     

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。     

负脉冲激励下PLZST电子发射特征及发射机理研究

采用固态烧结工艺制备了位于反铁电/铁电相界附近的掺镧锆锡钛酸铅（PLZST）反铁电陶瓷样品.采用该样品作为阴极材料,研究了其在负脉冲激励电场下的电子发射行为.负脉冲激励下,0.5 mm厚PLZST反铁电陶瓷圆片发射阈值电压为500 V;当激励电压为500 V,抽取电压为3.5 kV时,得到690 A发射电流.结果表明,PLZST反铁电陶瓷发射阈值电压低,发射电流大,即使激励电场低于陶瓷的正向开关电场,仍能得到强发射电流.最后,讨论了PLZST反铁电陶瓷在负脉冲激励下电子发射内在机制. 关键词： 反铁电材料 铁电阴极 电子发射     

Simulation of ultrasonic focus aberration and correction through human tissue

Ultrasonic focusing in two dimensions has been investigated by calculating the propagation of ultrasonic pulses through cross-sectional models of human abdominal wall and breast. Propagation calculations used a full-wave k-space method that accounts for spatial variations in density, sound speed, and frequency-dependent absorption and includes perfectly matched layer absorbing boundary conditions. To obtain a distorted receive wavefront, propagation from a point source through the tissue path was computed. Receive focusing used an angular spectrum method. Transmit focusing was accomplished by propagating a pressure wavefront from a virtual array through the tissue path. As well as uncompensated focusing, focusing that employed time-shift compensation and time-shift compensation after backpropagation was investigated in both transmit and receive and time reversal was investigated for transmit focusing in addition. The results indicate, consistent with measurements, that breast causes greater focus degradation than abdominal wall. The investigated compensation methods corrected the receive focus better than the transmit focus. Time-shift compensation after backpropagation improved the focus from that obtained using time-shift compensation alone but the improvement was less in transmit focusing than in receive focusing. Transmit focusing by time reversal resulted in lower sidelobes but larger mainlobes than the other investigated transmit focus compensation methods.     

多层介质中超声相控阵声场仿真*

由于良好的声束偏转与聚焦特性,超声相控阵已经广泛应用于多层固体介质的缺陷检测。当超声束经过多层介质时,由于反射、透射以及模式转换的存在,多种声束存在于这种结构中,使得声场分析变得复杂。为了提高多层介质检测的准确性,有必要对超声声场的分布规律进行深入地了解。该文结合高斯声束等效点源模型以及射线追踪法,给出了相控阵声源在多层固体介质中激发声场的仿真方法,并且模拟计算了一维线型相控阵在楔块-铝-黄铜-钢四层固体介质中的辐射声场。通过对不同延时法则的计算,实现了声波在这种复杂介质中的偏转与聚焦,进而研究了不同焦点处聚焦声场的分布。结果表明:相控阵方法能使聚焦点处的声场幅值增大,能量集中,提高了检测分辨率;不同聚焦点处声场聚焦效果不同,实际检测时应根据检测区域结构及位置特点,合理放置相控阵换能器。与瑞利积分法的比较表明,该文的仿真方法适用于多层介质相控阵声场的计算。     

Time reversal focusing with variable depth and range based on mode extraction

A method for time reversal focusing with variable depth and range based on mode extraction was proposed.First,the normal modes of acoustic propagation in the shallow water are extracted by modal decomposition from the probe signals received by a source receiver array.Furthermore,a diagonal matrix and a vector determined separately by the depth and the range of the probe source are extracted from the received acoustic field data.And time reversal focusing at different depths and ranges can be achieved by modulating the depth-dependent diagonal matrix and the range-dependent vector properly.Then the diagonal matrix and the vector are modulated separately according to the depth and the range of the expected focal location to construct a new acoustic field vector.When this new acoustic field vector is retransmitted by the source receiver array in time reversal order(or phase conjugation in frequency domain),focusing of the resulting acoustic field at the expected location rather than the origin of the probe source can be obtained.Numerical simulations in typical shallow water environment demonstrate the effectiveness of the proposed method.     

一种基于模态提取的深度和距离可变的时反聚焦方法

提出了一种基于模态提取的深度和距离同时可变的时反聚焦方法。首先,通过模态提取方法从时反阵列接收的探测信号中提取出波导中传播的模态函数信息,并且进一步地从中获得一个包含探测声源深度信息的对角阵以及一个包含探测声源距离信息的向量;然后,利用模态提取获得的信息对探测声源深度信息矩阵和距离信息向量进行调整,重新构造出时反阵列的一个接收声场向量信息,使得时反发射声场聚焦的深度和距离发生变化。这种方法克服了传统时反处理只能在探测声源位置聚焦的局限性,通过对探测声源深度信息矩阵和探测声源距离向量信息进行适当的调整,可以将时反发射的声场聚焦到探测声源以外的某个期望位置上。针对典型浅海波导环境,通过计算机仿真试验验证了该方法的有效性。      

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。     

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     

Surface reverberation at sound field focusing in shallow water

A numerical experiment is carried out to study the long-range surface reverberation in the presence of intense surface waves for the case of using vertical transmitting arrays providing sound field focusing at different depths. To focus the field, a phase conjugation of acoustic waves from a probe source positioned at the focusing point is used. It is demonstrated that surface waves considerably affect the focusing quality at a distance of several tens of kilometers from the transmitting array. This prevents the efficient suppression of long-range reverberation by increasing the focusing depth.     

基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法*

超声相控阵是超声检测领域常用的材料缺陷定位和成像技术,可便捷快速地对裂纹、孔洞等缺陷进行成像。但是,传统超声相控阵方法对较小缺陷如闭合裂纹不太敏感。非线性超声信号因对材料性能退化以及微小缺陷敏感而广受关注。本文针对疲劳闭合裂纹检测,提出一种基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法,通过测量物理聚焦和虚拟聚焦两种聚焦模式下超声扩散场中的声能差,并将其作为非线性参量,实现疲劳裂纹闭合部分的定位成像和定量表征。将该法应用于7075铝合金试样疲劳裂纹的实验测量,并研究了扩散场信号延迟时间对非线性超声相控阵成像结果的影响。结果表明：相较于传统超声相控阵全聚焦法,基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法能够更准确地定位和成像疲劳裂纹闭合部分;延迟时间的选择对疲劳裂纹长度的表征精度影响较大,本文研究了该延迟时间的选择方法并实现了检测结果的优化。     

Focusing of low-frequency sound fields in shallow water

A numerical experiment is carried out to study the focusing of a low-frequency (100–300 Hz) sound field in a shallow-water acoustic waveguide typical of an oceanic shelf. Focusing with the use of time reversal of broadband acoustic signals, which is called time reversal mirror (TRM) of waves, is considered along with focusing by phase conjugation (PC) of a monochromatic sound field. It is demonstrated that, in the case of focusing by the TRM method in the waveguide of interest, it is sufficient to have a single source-receiving element. The use of a vertical array improves the quality of focusing. The quality achieved in the latter case proves to be approximately the same as that achieved in the case of focusing by phase conjugation of a monochromatic field at a frequency identical to the carrier frequency of the broadband signals. It is also shown that, in a range-independent waveguide, intense surface waves considerably reduce the quality of focusing. This effect is most pronounced in the case of using phase conjugation.