基于1-3压电复合材料宽带超声换能器研究

电声转换效率与换能器带宽是评价聚焦超声换能器性能的重要指标。传统压电陶瓷制备的聚焦超声换能器,其电声转换效率与换能器带宽偏低。该文采用实验结合仿真模拟的方式,通过研究1-3压电复合材料中压电相的体积比、环氧相改性、调控匹配层阻抗与匹配层厚度对换能器性能的影响,开发了一种基于1-3压电复合材料的聚焦超声换能器,实现了82.3%的电声转换效率与140 kHz的换能器带宽。结果表明,与同等规格的传统压电陶瓷聚焦超声换能器相比,该超声换能器的两项指标分别提升了105%与250%,这为大功率聚焦超声换能器的设计开发提供了参考与指导。     

基于MATLAB的超声换能器声场可视化软件开发

对超声换能器的声场进行数值计算是当前研究的热点,在分析超声换能器声场模型的基础上,用MATLAB的GUI工具箱对声场进行可视化设计。通过输入换能器参数和介质参数,可以可视化地得到不同情况下的声场分布图,该软件可用于优化检测工艺,也可以指导探头设计。     

基于k Wave的HIFU在组织中焦点偏移仿真研究

该文利用k Wave对高强度聚焦(HIFU)超声在多层组织中的焦点偏移现象进行了仿真及理论研究,分析了不同变量在非线性情况下对高强度聚焦超声穿过多层组织达到肝脏组织中形成的焦点位置的影响。研究发现,在换能器参数相同条件下,多层组织的存在将导致焦点明显向换能器方向偏移,其聚焦位置相对于水域中焦点位置相差达到2.6 mm;肌肉厚度的增加将导致焦点向靠近换能器方向移动,脂肪厚度的增加将导致焦点向远离换能器方向移动。对于不同F数(F数表示换能器曲率半径与开口直径之比)的换能器,焦点位置的变化相对较小,这说明本研究的焦点偏移现象及结论对于不同的换能器有普适性,可为高强度聚焦超声精准高效治疗提供参考依据。     

基于环形相控阵的超声CT成像系统的设计

为了更好地实现乳腺癌的早期精确诊断,设计了一种基于聚焦环阵的新型超声CT成像系统。256个电容式微加工超声换能器(CMUT)环形分布于乳腺四周,采用64个换能器发射,对面64个换能器接收的方式进行,在COMSOL中依次进行256次仿真来实现环形扫描。根据超声相控阵原理进行发射聚焦后,采用滤波反投影算法进行图像重建。聚焦到乳腺外部时,重建偏差值小于0.05%,聚焦到4号肿瘤时,该区域重建偏差值仅为0.002%。实验结果表明,该系统可以用于乳腺癌的早期精确诊断,且能提高内部肿瘤的检测质量。     

超声治疗换能器的声场分析

无创超声治疗使用的体外聚焦超声换能器的聚焦方式有多种,多元组合聚集是其中之一。与其他聚焦方式相比,多元组合聚焦超声换能器具有较大的聚焦深度、较理想的焦域以及较高的声强度等优点,并且聚焦区域和声强度易于控制。提出了一种新的多阵元球壳形超声换能器结构,换能器由113个排列在一个孔径为112mm的球形凹面上的圆形压电陶瓷片构成,焦距为100mm,工作频率为1MHz。并应用几何声学法建立了换能器的声场的计算模型,并进行了实验验证。研究结果表明：该换有器具有优异的声场性能,与机械扫描的方法相结合应用于高强度聚焦超声无创治疗设备,将极大地降低设备的复杂性,完全能够满足超声无创治疗的应用。     

高频聚焦换能器的研制

介绍制作高频聚焦换能器的相关理论,设计各项工艺参数,介绍了主频为8～10 MHz的聚焦超声换能器的制作过程.论述了换能器性能测试过程,由测试结果及分析可知,换能器发射的脉冲宽度约4个周期,性能优良,能在检测中分辨1 mm平底孔当量的缺陷,基本达到了设计的预期效果.用研制的换能器进行柱塞孔检测,能明显检测到结合层的缺陷波.     

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.     

相控阵聚焦超声控制系统的设计

低强度聚焦超声治疗技术是当前超声治疗领域的研究热点,应用场景不同对于超声系统的参数和性能要求也具有差异化,相控阵技术的引入为解决聚焦声场精确控制带来了新的思路。现有相控阵聚焦超声控制系统的输出参数相对固定,频率和功率可调范围窄,且支持换能器阵列通道的规模较小。该文设计了一种基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的256通道的相控阵超声控制系统。实验结果表明,该系统实现频率1~3 MHz 可调,输出电压峰 峰值±100 V连续可调,相位延时精度为5 ns,可驱动不同阵元数的相控阵探头,从而为超声治疗技术的研究提供多元化激励实施方案。     

层状多界面的超声相控阵换能器声场研究

针对层状多界面粘接检测存在的难点,采用相控阵超声检测技术进行研究.建立了矩形换能器的辐射声场模型与声束聚焦偏转的时间延迟计算方法,实现了对声束的聚焦偏转控制.采用7 MHz的超声相控阵换能器仿真研究了多层介质中声场的特性,从仿真结果得出相控阵超声技术可用来检测层状多界面结构的多界面脱粘情况.     

聚焦超声换能器的仿真与性能分析

高频声透镜聚焦超声换能器在电子器件评估与检测、材料微观机械性能表征、生物医学成像、细胞操控等方面具有重要的应用。结构参数是影响其性能的主要因素之一。该文通过有限元法对基于声透镜结构的高频聚焦超声换能器进行仿真模拟,分析了声透镜的开孔角度对该类换能器聚焦区域声压模式、横向分辨率、-6 dB景深等关键性能参数的影响。仿真结果表明,换能器的焦距和横向分辨率与理论计算结果接近。随着声透镜开孔角度的增大,换能器的横向分辨力随之提高,焦点处声压级逐渐增大,-6 dB景深逐渐下降。这为声透镜聚焦超声换能器的优化设计提供了一定的技术基础。     

混凝土结构超声阵列探头成像算法研究

目前对混凝土结构进行超声检测常采用双探头方式,检测效率很低.提出了一种超声阵列探头成像方法来提高检测效率,这种方法充分利用阵列中相隔探头间形成的扫描信号,最大限度增加阵列数据融合处理的有效数组维数,根据线型阵列的结构特点,结合合成孔径聚焦算法,配合有效的信号处理方法滤除结构噪声,能对混凝土结构实现有效探测.数值仿真结果表明,此方法不仅能提高检测效率,且能对检测目标实现有效聚焦和准确定位.     

参量阵扬声器系统的超声发射阵指向性研究

在参量阵扬声器系统中,需采用若干个压电陶瓷超声换能器单元组成换能器发射阵,换能器单元的数目和排列位置会对发射阵的指向性产生影响。通过改变换能器数目及之间的相对距离,模拟了超声发射阵的空间指向性。与实测结果进行了比较,验证了在设计超声发射阵列时,此模拟方法的可靠性和实用性。     

一种频率可调超声波发生器设计

不同清洗物所需的清洗频段不同,需要接入的超声波换能器也不同。为了提高超声波发生器对不同频段换能器的适应性,设计了一种由上位机进行频率给定、锁相环电路进行频率跟踪的闭环控制系统。整个系统由STM32主控制器产生脉冲宽度调制(PWM)脉冲信号,控制EXB841优化驱动电路,驱动高频全桥逆变电路;通过阻抗匹配和输出电流的检测,保证作用于换能器输出的功率值最大。同时对于不同频段的超声波换能器,需要调整给定输入,保持发生器在频率基准值的一定范围内进行频率跟踪。超声波换能器测试样机工作频率点为28.8 kHz,最大功率1 500 W,将本系统接入后谐振频率保持在28.8 kHz左右,输出功率近似为最大值。经测试,该系统对于工作频率点为20~40 kHz的超声波换能器都具有较好的适应性。     

相移迁移法在激光超声合成孔径聚焦技术中的应用

通过分析脉冲源激光辐照于工件表面激发的多模式、宽带超声体波信号并结合合成孔径聚焦技术(SAFT),实现了对工件内部微小缺陷的检测、定位和成像。首先基于有限元仿真模拟了激光激发超声波在含缺陷样品中的传播过程,编写了基于相移迁移法(PSM)的SAFT成像算法,然后在实验中使用激光在含缺陷样品表面激发超声波,使用激光测振仪探测超声波,并基于已有算法和探测结果对样品内缺陷进行了检测和定位,以验证算法的正确性。有限元仿真以及实验结果均表明,将激光超声技术与频域SAFT-PSM结合,能够有效地对微小缺陷进行检测和定位,且其图像重构速度快于时域SAFT,可为激光超声无损检测提供更快速的实时技术方案。     

压电超声换能器的应用与发展

压电换能器是超声技术的主要部件，其种类多，用途及发展前景广。该文回顾了超声换能器的发展历程，概括总结了压电超声换能器的分类和应用，分析了压电超声换能器的发展趋势。大功率、低压驱动、高频、薄膜化、微型化、集成化是当前的发展方向。     

Ultrasonic gas densitometer

The need for a compact device to monitor density of gases gave rise to an R&D project to look into the possibilities of using ultrasonic probes to measure density of gases. Through measurements of ultrasonic transducer impedance around the resonant frequency, it is shown experimentally and through simple theoretical considerations that the density of gases can be monitored using equivalent impedance of ultrasonic transducers placed in the medium to be monitored. The simple theory behind the principle and experimental results are presented in this paper. The promising results indicate that the technique can be combined with ultrasonic volumetric flowmeters to give mass flow without resorting to a separate density meter, as is the practice nowadays. The preliminary results obtained using nitrogen are presented here.<>     

压电超声换能器的电端匹配电路及其分析

本文分析了压电超声换能器的几种匹配电路及其匹配原理,推出了超声频电发生器与换能器之间的理想匹配条件,研究了电端匹配电路对换能器的谐振频率及其有效机电耦合系数的影响,所得结论为压电超声换能器匹配电路的设计提供了一定的理论依据。     

基于有限元法的激光声磁检测系统优化研究

针对激光超声和电磁超声两种非接触式检测方式在实验中操作复杂和灵敏度低,以及难以观察不同参数对相关物理场造成的影响等问题,文中将有限元法应用到激光声磁混合式检测当中,采用数值分析方法分析了脉冲激光与电磁超声换能器之间的匹配关系对检测灵敏度的影响,研究了激光声磁检测系统的优化设计依据。利用有限元软件建立了激光声磁检测系统的仿真模型,通过正交数值仿真分析了高斯激光脉冲激励超声的温度场和位移场特性,进而观测了电磁超声换能器参数变化对检测灵敏度的影响。结果表明:螺旋型线圈接收的电压信号能正确反应由入射激光在固体中发生热膨胀效应产生的超声位移场,当磁体的高宽比为 1.5 倍时,驱肤层处磁场强度分布最优,提离距离对换能效率的影响呈现负指数变化规律,评价了不同接收间距处电磁超声换能器的接收性能。     

宽温域压电超声换能器研究进展

作为重要的无损检测器件,压电超声换能器已广泛应用于国民经济的各个领域。随着现代工业技术特别是航空航天、核电能源和智能制造等工业技术的发展,各类工矿环境对压电换能器的性能提出了更高的要求,迫切期望压电换能器能在宽温域范围内稳定地监测设备的运转状况,提前预警,避免重要设备的结构性损坏。宽温域响应的压电超声换能器是目前压电器件技术领域的前沿性研究内容,该文重点介绍了能够工作在宽温域范围内的压电超声换能器及其结构,阐述了压电超声换能器在无损探伤方面的独特优势。