声透镜指向性换能器研究

该文利用声学透镜使声波能量聚焦,实现小尺寸换能器窄波束声辐射。利用有限元方法分别建立了单凹面声透镜及双凹面声透镜仿真模型,优化了声透镜结构参数,设计并制作了双凹面声透镜指向性换能器,并在消声水池内对换能器样机和声透镜进行了性能测试。换能器样机辐射面积直径?120 mm,设置声透镜后,提高发送电压响应级4 dB,发射指向性-3 dB波束开角由76°变为约30°(@10 kHz),与仿真计算结果相符。实验结果表明,声透镜有效减小了换能器发射波束宽度,提高了换能器主瓣发送电压响应,验证了双凹面声透镜对优化换能器指向性的效果。     

基于透明超声换能器的光声显微镜设计

光声显微镜结合了光学成像的高分辨率和声学成像的组织穿透深度,在生物医学领域有着广泛的应用。随着技术的发展,其小型化系统有着新的发展机遇。然而,传统光声显微镜的光路受超声换能器的不透明影响,声-光共聚焦扫描需要复杂的模块,不利于光声系统的小型化发展。提出了基于透明超声换能器的光声显微镜,自主制作了7 MHz透明超声换能器,实现了小型化、低成本、大视场的同轴共焦成像模式。实验结果表明：基于透明超声换能器的光声显微镜,横向分辨率为18.0μm,信噪比高达38 dB,成像范围可达16 mm×16 mm。对小鼠鼠耳皮下血管的成像实验验证了系统具有成像生物组织网络的能力。     

基于软模法制备1-3型压电复合材料及高频医用超声换能器

高频医用超声成像技术因其高空间分辨率而被广泛应用于人体组织的精细结构观察,其中高频超声换能器的核心材料是1-3型压电复合材料。采用软模板法直接烧结了锆钛酸铅(PZT)压电微柱阵列,进而制备PZT/环氧1-3型压电复合材料,并对其进行了微观结构观察和电学性能表征。材料微观结构完整,机电耦合系数达到0.64。采用此复合材料制备了中心频率为20 MHz的高频超声换能器。采用脉冲回波法对换能器进行了性能和声场测试,并利用其对人体皮肤进行了超声成像,换能器的插入损耗、带宽分别为13.1 dB和84.2%。结果表明,软模法制备的1-3型压电复合材料能使高频超声换能器兼具低插入损耗和大带宽,这为高性能高频医用超声换能器提供了一种低成本、高效率的商业化制备方法。     

新型声学分辨率光声显微镜系统照明设计

声学分辨率光声显微镜探测深度可达厘米量级,已有声学分辨率光声显微镜照明方式的主流设计方案在明场、暗场照明方式切换,光能利用率等方面仍存在不足,在一定程度上限制了声学分辨率光声显微镜系统的应用范围。提出了一种能够提高光能利用率,可实现明场、暗场照明切换并增大调节范围的声学分辨率光声显微镜系统设计,利用凸透镜对光束的会聚功能,对发散环形光束产生一定程度的聚焦,减小环形光束的环带尺寸。蒙特卡罗模拟结果显示,最终入射在组织表面的光斑直径得到有效减小,组织中超声换能器有效探测区域的光能流量分布最多可增强6倍,因此光声信号强度也相应地得到线性增强;与此同时,凸透镜的加入还增加了系统光聚焦深度的调节范围,在超声换能器聚焦深度不变的情况下,调节系统的光聚焦深度,有助于在不同样品中获得最佳的光声信号强度。     

基于1-3压电复合材料的透镜式聚焦换能器设计

为了抑制压电陶瓷透镜式聚焦换能器振动的多模耦合现象,提高换能器电声转换效率,采用1-3压电复合材料,设计了一种新型的透镜式聚焦换能器;首先计算并仿真了1-3压电复合材料的厚度谐振频率ft和厚度机电耦合系数kt,理论和仿真结果分别相差2.947％和0.933％;接着对换能器做振动分析,结果表明,在换能器谐振频率ft处,声透镜中心径向振幅仅为厚度振幅的7.9％,径向振动得到有效抑制,这有助于提高换能器电声转换效率.     

混合式光场相机在聚焦与非聚焦模式下的超分辨重聚焦仿真

光场描述了光在自由空间传播的全四维信息,光场相机可用来获得光场图像。在传统的光场相机中,最终获得图像的空间分辨率受限于微透镜阵列中透镜的个数。聚焦型光场相机相较于传统光场相机能够获得更高的空间分辨率,但是以牺牲其角度分辨率作为代价。在Zemax中建立了传统光场相机与将聚焦光场相机的成像模型,仿真获得了两种光场相机的光场图像,分析了两种不同类型光场相机采样模式的区别。提出将可变焦液体透镜阵列放置在光场相机中,可以同时获得聚焦和非聚焦两种模式下的光场图像。根据记录的光场信息,讨论了相应的重聚焦方法,计算仿真了在不同景深下的重聚焦图像,并提出了一种基于图像融合和超分辨率重构的方法来提高重聚焦图像的分辨率,最终在相同的景深范围内获得了3倍于传统光场相机分辨率的重聚焦图像。     

一种超声针灸换能器设计

一种超声针灸换能器的设计方法,它将普通凹型聚焦换能器与平凸声透镜组合,使换能器发出的聚焦超声波能量在透镜平面和换能器外球面之间产生多次反射,每次只能有一小部分能量射出,经过不同反射次数后出射的聚焦超声波聚焦在声轴线的不同位置,通过选择反射材料的声速和换能器的半径,就可从在换能器输出面后得到细长的声压分布,声场检测结果与设计结果符合得很好,临床实验表明,这种换能器比其他类型的传统换能器更易使患者产生得气的感觉.     

基于PZFlex的1-3压电复合材料横向振动模仿真

1-3型压电复合材料具有高机电耦合系数和低声阻抗,适用于制作水声和医疗超声换能器,但是1-3型压电复合材料的横向振动模会降低换能器的性能,限制换能器的小型化和高频化。该文设计了一组具有矩形压电陶瓷柱的1-3型压电复合材料,复合材料的厚度为0.32 mm,陶瓷柱宽度为0.08 mm,长度为0.10~0.25 mm,刀缝宽度为0.05 mm。利用有限元软件PZFlex进行了建模计算,仿真结果表明,复合材料的厚度谐振频率和反谐振频率分别为4.5 MHz、6 MHz,随着陶瓷柱长度的增大,横向谐振频率逐渐向低频处移动,当陶瓷柱长度和高度比值大于0.69时,横向谐振和厚度谐振发生模式耦合。该文基于复合材料设计了换能器,利用PiezoCAD软件计算得到换能器的中心频率为4.7 MHz。     

基于激光诱导超声换能器的磁声电成像研究

生物组织的电学特征对肿瘤的早期诊断具有重要意义。通过测量样品的洛伦兹力效应,磁声电成像可以检测到生物组织电导率的变化,从而实现肿瘤组织的早期诊断。现有的磁声电成像采用传统的压电超声换能器产生超声激励,为了避免静磁场对超声激励系统的干扰,这种方法要求压电超声换能器必须远离被测样品,从而导致超声探头和被测样品间存在较大的超声传播距离,不利于在临床中进一步研究。首先设计了基于光声热弹效应的激光诱导超声换能器,这种光学超声换能器采用优化的炭黑和聚二甲基硅氧烷复合结构,减小了复合膜厚度,有望产生高频和高强度超声信号;然后对优化的复合膜激光诱导超声换能器的超声特性进行分析,并利用激光诱导超声换能器进行磁声电成像实验。结果表明:激光诱导超声换能器产生的超声信号具有与压电换能器产生的超声信号可比的压强幅度和超声带宽,-6 dB超声带宽接近7.5 MHz,产生的超声强度达到2.5 MPa;在磁场环境中,激光诱导超声换能器能提供一种无电子结构的超声激励方式,有效减小了磁声电成像中超声激励源的电磁干扰,具有良好的电磁兼容特性。     

一种超高频血管内超声成像系统设计与实现

介绍了一种超高频(UHF)血管内超声成像系统,该系统基于80 MHz超高频血管内超声探头,运用高性能集成电子芯片实现超声脉冲的发射和回波数据的接收及高速可编程逻辑门阵列(FPGA)芯片实现有限冲激响应(FIR)滤波、包络提取、数字扫描变换等数字信号处理算法。测试结果表明,在80 MHz频率下,系统可接收的最小信号电压为25μV,在47dB增益下动态范围可达51dB。通过钨丝(wire)线模和离体血管的实验,来评估系统的高分辨率成像性能,通过对回波数据-6dB带宽的分析计算,80 MHz超声探头的轴向分辨率和横向分辨率分别为32μm和103μm。实验表明,此系统可实现高分辨率的超声成像效果。     

激光光束检测圆对称超声换能器焦点声压的可行性

根据Raman and Nath理论,光在声场中传播可认为是在多层薄光栅中传播,而薄光栅的参数则由光栅平面内的声场分布决定。本文通过圆对称聚焦换能器在焦平面附近的声场分布,得到光束的偏转角与换能器焦点声压的关系。通过测量光束偏转距离得到换能器焦点声压。虽然本文的声压与偏转角的关系是基于理想超声聚焦换能器的线性理论,但通过激光检测声压与光纤水听器测量的结果,表明该方法可用于检测较高的焦点声压检测。     

应用于流场测量的激光高频空气超声声光偏转效应

研制了适用于产生空气超声相位光栅的大功率高频超声换能器，采用位移灵敏接收器，在换能器发射面前方适当位置加声匹配器以加强声场干涉提高发射方向性，获得了明显的激光空气超声声光偏转效应。可应用于风洞试验中测量空气旋涡流场参量．     

多阵元聚焦换能器声场的数值模拟及分析

提出一种新型的多阵元聚焦换能器,该聚焦换能器由6个排列在一个球径为146 mm的凹球面上的透镜式单元换能器组成,透镜曲率半径为112 mm,工作频率为1 MHz。该文应用坐标变换法对该聚焦换能器的复杂声场分布进行了数值计算,并测定了其声功率。研究结果表明:该结构具有较大的聚焦深度、较理想的焦域、可改变的声场能量,工艺简单,成本低廉。     

曲面超声换能器近声场指向性研究

通过结合物理声学原理推导出曲面结构及其等效动态相控阵列超声换能器所形成的近声场分布,并利用数学软件对超声近场声压进行近似数值仿真。通过分析比较各声场指向性的仿真结果表明,在给定的工作频率和介质条件下,对比于平面结构,二维半圆球壳的曲面压电晶片或等效相控阵元阵列结构的超声换能器在近声场可实现高强度聚焦,同时近声场焦点处的横向/纵向分辨率都达到最佳,旁瓣/栅瓣抑制也达到最大。最后给出了在曲面阵列优化设计方面一些有价值的规律。     

压电双叠片复合弯曲振动换能器辐射声场研究

采用瑞利法对固定边界条件下双叠片复合弯振换能器进行理论研究,在计算谐振频率及位移分布函数的基础上,利用声场迭加原理推导出双叠片复合弯曲振动换能器辐射声压及其指向性表达式,数值计算分析了复合换能器结构参数对指向性的影响,并与相应活塞板指向性进行比较。结果表明,复合弯曲换能器各结构参数对声场指向性会产生不同影响,当其他参数给定,其声场指向性具有无旁瓣,瓣角大,声压作用距离短,频率增大时指向性瓣角变小等特点。     

二维稀疏相控阵声场优化及阵元故障影响分析

针对二维稀疏超声相控阵声场分布中的栅瓣和旁瓣问题,推导了二维稀疏超声相控阵的指向性公式,并利用发射阵列和接收阵列交错分布的方式消除栅瓣及抑制旁瓣,从而优化声场特性,优化后横向和侧向扫描范围由30°扩大到60°。建立了优化后阵列声场指向性与损坏阵元位置的函数关系式。声场指向性仿真结果表明,距阵列中心越近的阵元损坏时旁瓣升高越多,单个阵元损坏导致一级旁瓣最多升高20dB,主瓣下降约6dB,且与损坏阵元位置无关;相同位置的发射阵列和接收阵列阵元同时损坏时,对声场特性影响达到最大。     

压电空气耦合超声换能器制备优化及实验验证

空气耦合超声换能器作为一种无损检测(NDT)的重要设备,具有广阔应用前景,但由于压电元件与空气声阻抗失配导致低带宽(BW)、低灵敏度(SNS)及高双程插入损耗等缺陷而阻碍其应用。该文对空气耦合超声换能器制备工艺进行优化,使用COMSOL软件模拟了压电元件的尺寸设计。同时通过采用1-3型压电复合元件与优化环氧树脂+空心玻璃微珠匹配层调控压电元件与空气的声阻抗,制备了工作频率400 kHz的空气耦合换能器。在工作频率时,该换能器的厚度振动模态较纯,带宽较宽,灵敏度与双程插入损耗为-38 dB。结果表明,采用该文自研工艺制备的空气耦合超声换能器具有良好的性能与巨大应用潜力。     

海底管道检测用线聚焦超声探头声场研究

海底管道缺陷的检测是由管道内智能猪完成的,智能猪上的超声探头阵列以恒定的速度一次性爬过管道,采集并记录缺陷数据供离线分析。所以探头的种类和性能直接影响对缺陷的检出率。论文针对智能猪用柱形曲面声透镜水浸式线聚焦探头,建立了其声场模型,并对其轴线声场和焦距进行了数值模拟。最后,实测了其轴线声场分布。