鼓形超声换能器的设计与仿真分析

研究了鼓形超声换能器的辐射声场的基本特征,建立了声场与生物热场结合的有限元仿真模型,分析了声压及声强分布,超声的衰减,焦域特征,聚焦区域温度场变化等。经过分析验证,缩小中心焦域尺寸,提高聚焦精度;获取最优方案及参数设定,降低了声路径上的平均功率,减小治疗风险。     

用刚性表面球形传声器阵列重构入射波声场与识别定位声源

刚性表面球形传声器阵列是测量三维声场常用的前端,由于刚性球面对入射波声场有散射影响,直接测量值不是原入射波声场的声压值,因而不能使用在自由声场条件下建立的声场模型和近场声全息方法来重构入射波声场.通过刚性球体表面声波散射的数学模型,建立起入射波声压与发生散射后总声压之间的关系,进而通过刚性表面球形传声器阵列测量声压,计算入射波声场分布,并进行声源识别定位.通过仿真与实验,检验了球面入射波遇到刚性表面球体发生散射后,球体表面处声压分布的变化.由球面近场声全息方法,重构球形阵列表面及外部空间的入射波声场,检验了波数、重构距离参数变化对声场重构精度的影响.结果表明:采用刚性表面球形传声器阵列测得的声场总声压,运用根据声波散射模型建立的球面近场声全息方法,可以以一定的精度重构出入射波声场的三维空间分布.     

驻波聚焦在体模中形成的精细损伤

为了提高聚焦超声的治疗精度,本文通过将两个完全相同,频率为0.6 MHz的行波聚焦换能器同轴共焦相向放置实现驻波聚焦。在相同焦点峰值正声压（17 MPa）条件下,结合组织中的声场数值仿真、空化和非线性测量,对比研究了驻波聚焦和行波聚焦超声分别辐照仿组织体模过程中的损伤变化及形成机制。研究可见：（1）相同焦点峰值正声压条件下,驻波聚焦和行波聚焦辐照形成的初始损伤尺寸分别为0.18λ×0.25λ、0.91λ×0.3λ,而达到相同焦点峰值正声压驻波聚焦所需的换能器表面声压仅为行波聚焦的0.46倍,表明驻波聚焦可以实现更精细的损伤同时降低声通道上声压幅值保护声通道的安全性。（2）相同焦点峰值正声压条件下,行波聚焦更快出现损伤,相比于空化,非线性效应影响更大。研究说明基于同轴共焦相向放置两换能器形成的驻波聚焦相比行波聚焦可以实现更精细的损伤,且声通道更安全,为驻波聚焦应用于临床提供了理论参考。     

水介质中换能器的声场分布建模及仿真

在水声目标探测的优化中,为精确仿真水声换能器在水中的声场传播分布规律,首先利用多元高斯声束叠加模型,建立水声换能器的表面声压分布模型,然后通过频域有限差分法求解KZK传播方程,得到发射声场在水下分布规律和谐波特性,最后通过MATLAB进行数值仿真,得到各阶次谐波在声轴方向上的径向和轴向的分布情况,结果表明谐波阶次越高,波束越窄,声场能量较集中;各阶次谐波在轴向一定位置附近声压达到最大值,之后由于水介质的吸收效应逐渐衰减.上述研究对开展水下探测、非线性声场成像等具有重要的参考价值.     

基于压差式矢量水听器的多目标分辨

矢量水听器是一种既能测量声场中的声压信息,又能测量声场中的振速信息的换能器.矢量特性使得单个矢量水听器就可以实现信号的方位估计,但是传统的矢量水听器处理方法只是利用了信息量增加这一优点,因而提出了一种利用单个压差式矢量水听器进行非相关目标方位估计方法,该方法有效利用声场中声压和质点间振速之间的互相关性,仿真和测试结果表明该方法能有效地进行双目标分辨.     

基于相位聚焦的驻波声场悬浮与运输方法研究

高频驻波声场中声波入射波与反射波非线性叠加作用下会产生声辐射力,从而实现微小物体的悬浮.使用幅值调制或频率调制改变悬浮位置存在空间上限制,且运输平稳性较差.在换能器阵列形成声场中,使用相位调制可以实现定点聚焦与物体平稳运输.基于超声驻波悬浮原理,详细分析了单驻波、平面驻波、空间驻波声场声压、相位分布情况,并基于聚焦原理使用相位调制的方法实现对声场的定点聚焦、聚苯乙烯小球悬浮与运输.结果表明：单驻波声场可通过双向相位调制方法实现小球稳定运输；在横向相位差为π的情况下使用PLL多时钟信号可实现多方向、不同速度的同时运输；空间阵列驻波声场通过定点聚焦声压提高了83%,且通过连续改变焦点位置实现了小球直线运输.     

声透镜聚焦相控阵换能器的波束特性研究

聚焦声透镜可以使平面换能器获得与球面自聚焦换能器几乎一样的聚焦效果,但对于平面阵列换能器而言,能否利用聚焦声透镜来增强相控聚焦的效果尚待研究。首先基于声透镜聚焦阵列换能器的几何结构,并利用数值计算和有限元仿真的方法,获得了相控条件下声透镜聚焦阵列换能器的辐射声场。其次,利用FPGA相控发射系统激励32(8×4)阵元声透镜聚焦阵列换能器,并采用探针水听器扫描法,获得了各偏转条件下换能器的相控辐射声场,测试结果与仿真计算的结果基本一致。理论计算与实验结果都表明,利用聚焦声透镜可以使平面阵列换能器获得较好的聚焦波束,在一定范围内主瓣可有效偏转、旁瓣较小;但超出该范围则会出现旁瓣变强、散焦等问题。从加工工艺、制造成本方面考虑,声透镜聚焦阵列换能器可以用于小范围内的无损检测,以及人体的局部超声治疗。     

MATLAB&VC++混合编程在HIFU声场仿真中的应用

针对广泛应用于超声医疗的HIFU(高强聚焦超声)换能器,利用MATLAB与VC++的接口技术,混合编程设计实现了具有一定通用性质的HIFU声场仿真软件.可利用此软件对具有不同设计参数的HIFU换能器进行声场的声压分布仿真、-3dB焦域仿真等,具有直观的三维图形输出,并可方便地进行设计参数与声场形态之间关系地分析.充分利用了MATLAB与VC++各自的优点,使两者优势互补,成功实现了一界面友好,实用高效的虚拟实验测试平台.     

基于声异常透射效应的高强度聚焦超声换能器

高强度聚焦超声（High intensity focused ultrasound,HIFU）作为一种新型无创的外科技术已在临床上应用于各种良恶性实体肿瘤治疗。为了实现安全高效的肿瘤治疗,HIFU换能器的聚焦效率仍然有待提高。本文综述了声异常透射效应的基本原理,以及近期利用声异常透射效应的HIFU聚焦超声换能器的研究。主要涉及两个方面的工作：（1）将声人工结构引入凹面型声透镜的设计,设计并制作了声超常透镜,对声透镜式聚焦换能器进行改进,达到了降低旁瓣的效果,从而提高了HIFU治疗的安全性;（2）基于球弧周期槽阵列设计并制作了超构聚焦换能器,以增强HIFU换能器聚焦效率。从理论及实验两方面研究了超构聚焦换能器与传统凹面换能器的声压分布和在组织中产生的温升。本文研究结果可进一步促进HIFU在临床治疗的广泛应用。     

尺寸和发射频率对换能器声场影响仿真分析

在实际探伤过程的研究中,超声换能器的尺寸和发射频率,对辐射声场分布及指向性特征直接影响探伤效果,正确选择换能器具有重要意义.为了正确进行探伤并保证效果,对尺寸及发射频率对换能器辐射声场的影响进行分析.对超声波声场进行仿真的难点在于数学模型的建立,以往给出的数学模型有很多缺陷,无法给出整个换能器辐射声场的解析表达式.采用的高斯声束模型克服了以往方法的缺陷,能够以简单的解析表达式描述整个换能器辐射声场,并在Matlab中仿真了不同尺寸和不同发射频率的圆形活塞换能器的辐射声场,可正确地分析尺寸及发射频率,为换能器辐射声场的设计提供依据.     

Eckart acoustic streaming in a heptagonal chamber by multiple acoustic transducers

A new computational method was developed to simulate a two-dimensional Eckart acoustic streaming field in an ultrasonic heptagonal chamber actuated by multiple acoustic transducers with different associated frequencies and acoustic incident pressures. Simulation was conducted using the superposition of multiple spatial gradients of the Reynolds stresses and the second mean sound pressures at different frequencies. The developed method extends beyond the capabilities of the conventional method that is restricted to uniform frequency and incident pressure. Various acoustic streaming patterns can be feasibly generated by tuning the frequency and incident pressure of each individual transducer. The implementation of multiple acoustic transducers offers flexibility to control acoustic flows in microfluidic devices for various applications. Furthermore, the developed simulation method for acoustic streaming fields provides an optimization tool for the frequency, incident pressure and location of each transducer.     

线形超声相控阵换能器的阵列设计

超声相控阵检测技术是利用脉冲反射法对被检构件中是否存在缺陷(如裂纹、夹杂、气孔等)进行无损检测,阵列换能器是该检测技术中实现电-声转换的传感器件,其声场特性是能否获得并有效利用被检测部位或区域回波信息的决定因素,也是设计换能器阵的主要依据。从平面矩形活塞阵元的辐射声场出发,利用简便算法对阵元辐射声场、一维线阵辐射声场进行了仿真模拟,分析了影响阵列换能器性能的几个主要因素,提供了阵列换能器的设计思路,并对采用相控阵超声换能器与常规超声换能器探测人工缺陷时的扫查波形进行了比较。     

深海热液声学原位测温仪中的声源选择研究

为了选择合适的声源信号.提高深海热液声学原位测温仪的测量精度,针对热液口的声学特性,在分析了信号频率范围和声压级要求的基础上,采用信号发射卡驱动水声换能器发声,然后通过数据采集卡采集换能器接收到的声波信号.同时,对几种典型声信号进行了常温湖水声波飞渡时间实验.实验结果表明,18～23 kHz的扫频信号可作为合适的声源信号.这不仅为声学测温中的声源选择提供了指导,而且对水下短距离声波的延时测量也具有一定的参考价值.     

Performance enhancement of a piezoelectric linear array transducer by half-concave geometric design

A geometric design for array elements of a piezoelectric linear array transducer is proposed and evaluated. The design concept is based on the half-concave geometry, in which the radiating surface is concave while the other surface remains plane. A ∼1.8 MHz piezoelectric linear array transducer with half-concave elements has been designed, fabricated and evaluated. A dicing method was developed to shape the concave surfaces of the piezo elements and matching layers. By comparing the transducer performance, a traditional linear array transducer with similar dimension has been fabricated. It was found that the half-concave array transducer has significantly broader −6 dB bandwidth (96%), higher effective electromechanical coupling coefficient (0.62), and lower insertion loss (−21 dB) compared to those (76%, 0.55, and −25 dB, respectively) of the plane array transducer. The enhanced coupling coefficient and bandwidth are caused by the broaden resonance of the elements, which is induced by the continuously varying thickness in the designed geometry. The increased sensitivity is mainly attributed to the focused radiating surface.     

基于声表面波微液滴并行加热研究

提出了一种并行加热微液滴的方法。在128°旋转Y切割X传播方向的LiNbO3压电基片上采用微电子工艺制作叉指换能器和反射栅,在其声路径上贴合环形聚二甲基硅氧烷(PDMS)微槽,其内充满石蜡油微流体。设计有多个受热区的图案,经过激光切割转移到导热性良好的、厚度为0.3 mm的铜金属传热片上,并放置于PDMS微槽上。射频电信号加到叉指换能器上激发声表面波,辐射入微槽中的石蜡油微流体,并将能量通过传热片传递到受热区,进而加热受热区上的微液滴。以纯净水微液滴为实验对象,进行了多个微液滴并行加热实验。结果表明,在单个叉指换能器上加电信号激发的声表面波可同时加热多个微液滴,且其温度变化值随射频电信号功率增加而增加,同时,微液滴体积和受热区中并行加热的微液滴数影响其温度变化。     

A new kind of spherical gear and its application in a robot's wrist joint

The meshing principles and the manufacturing methods for spherical gears with concave cone surface teeth are presented in this paper. The profile of the convex teeth of this kind of gear is analyzed and calculated. The theoretical feasibility of this kind of gear is proven by the analysis of the profile, contact ratios and undercut. It makes the process of manufacturing easier than before, improving the manufacturing precision and simplifying the manufacturing process. This paper introduces the theory and manufacturing method of concave tooth profile, that is spherical cone gearing. The analysis and calculations on the convex tooth profile engaging with the concave cone tooth is also proved.     

声速测量系统的群延时分析

在时差法、相位法等声速测量方法中,由换能器群延时引起的系统非线性相位响应是制约声速测量精度的重要因素。采用窄带线性模型近似描述换能器工作频段内的相位响应曲线,并分别通过相关检测与多频点测量的实验方法对模型加以验证。结果表明:窄带线性模型与换能器工作频段内的实际相位响应吻合良好,可用于准确估计声速。     

基于Matlab的基阵方向性仿真研究

根据水声传播和换能器基阵理论，建立了任意几何分布的基阵方向性的数学模型。借助于Matlab软件，研究了基阵三维方向性图的精细表示方法，对不同坐标网格表现的基阵方向性图进行了对比分析。通过分解三维方向性图得到了任意定向平面上及轴向等开角的方向性仿真曲线图。应用表明，结论对于基阵方向性的仿真与设计具有一定实用价值和指导意义。     

水下目标定向及遗传算法仿真

传统的水声定位需要一个庞大的声压水听器阵,技术复杂,耗费可观。矢量传感器是一种新型的水声传感器,仅用单个的矢量传感器就可以进行水下目标的方位估计。该文分析了矢量传感器声压梯度法和互谱声强法的定向原理,在互谱声强法仿真的基础上,将遗传算法引入水下目标定向中。通过构建适应度函数,根据信号适应度函数进行遗传选择,舍弃不稳定信号,对有用信号进行杂交,从而获得较高的定向精度。仿真结果表明,该算法可以有效地进行目标方位估计,进一步提高定向精度。