基于空间冲激响应的圆形换能器辐射声场研究

基于空间冲激响应的稳态声压场理论,从选取距离函数出发,建立了单阵元圆形平面换能器声场中任一场点处的基于傅里叶变换的冲激响应声场模型,该模型适用于声场中的任意位置。并运用Matlab仿真了换能器的轴向与径向声压分布,且在圆形换能器冲激响应的声压分布实验系统上进行验证,实验结果与仿真得到的声压场具有很好的一致性。实验验证表明,仿真结果可准确反映圆形换能器的空间辐射声场分布。该方法计算快捷,对于优化圆形换能器设计参数及提高超声成像检测分辨率有重要参考意义。     

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.     

基于小球反射法的超声脉冲波声场特性研究

基于对小球散射单频连续波声场指向性的研究,推导出小球散射超声换能器脉冲波声场的指向性函数计算公式,由此建立了小球反射的超声换能器脉冲波声场声压分布理论模型,计算了由不同尺寸的小球反射的声场声压分布.实验验证了指向性函数计算公式和理论模型的正确性,理论计算和实验结果均表明,小球的尺寸对声场声压分布的测量精度有较大影响.     

宽频带GSM光束经过全息光栅的传输

本文讨论了宽频带ＧＳＭ光束经过全息光栅的传输。理论结果表明，一束ＧＳＭ光束经过振幅分布为正弦分布的全息光栅衍射，得到三束ＧＳＭ光束。即零级衍射光束和±１级衍射光束。零级光束的传播方向与入射的光束方向相同；±１级光束的传播方向偏转了一个角度，并分别对称于零级光束。     

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.     

纵弯转换超声振动球面聚焦系统聚焦特性研究

该文提出了一种由夹心式纵振动换能器与带孔球壳组成的纵弯转换型球面聚焦系统。应用弹性力学的板壳振动理论和亥姆霍兹-基尔霍夫声场理论分析了新型聚焦系统的振动特征和声场聚焦特征,并通过实验进行了验证。研究结果表明,球壳弯曲振动的辐射声场具有显著的聚焦特性,焦点位置、声压强度、焦区形状受球壳曲率半径的影响。在结构一定的情况下,聚焦的特性受谐振频率的影响,高阶谐振频率的聚焦效果比低阶谐振频率好,但焦点声压低于低阶谐振频率。由于弯曲振动与气体介质的辐射阻抗匹配要好于纵向振动,因此这种新型聚焦系统具有更强的实际应用意义。     

阵元失效对超声阵列换能器的影响及优化研究

超声阵列换能器单个或多个阵元的振动效率、几何尺寸等参数的改变,会影响整个阵列的声场分布等性能参数,降低超声检测的分辨率及相应的检测效果.基于阵列换能器声压分布理论,利用自适应算法,从阵元激励的角度,探讨阵列超声换能器阵元激励的优化方法,消除阵元失效的影响.研究结果表明,利用声场分布空间中有限数量的优化参考点,经过对激励参数的优化,可以使有阵元失效阵列的整个声场分布、指向性及聚焦特性等性能指标与标准无阵元失效阵列的基本一致,达到期望的标准声场分布的参数指标,大大降低超声检测设备的应用成本,提高检测效果.     

基于角谱法分析圆形活塞声源近场声特性

圆形活塞的声辐射应用较广,大多数超声检测应用中所用的声源,都可视为活塞式辐射器。利用角谱法分析了传播波和倏逝波在声场轴线上的分布与空间位置、声源半径及辐射频率间的关系,通过比较两种波的声压幅值确定了倏逝波的有效传播距离。利用近场声全息(NAH)理论计算了倏逝波在换能器近场空间的声压分布,并对结果进行误差分析。仿真结果表明,基于空间傅里叶变换的角谱法和NAH法均可准确反映圆形活塞辐射近场声压呈现数衰减的分布规律。     

使用亚波长光栅器件产生圆柱型矢量光束

基于严格矢量衍射理论,分析了亚波长光栅将圆偏光转化为线偏光的机理。根据分析的结果提出了一种利用光栅空间分布控制出射光偏振态分布的方法,并使用该方法规设计了一类光栅区域呈多带环形分布的偏振器件。通过改变该型器件的环形光栅区域数量,可以得到不同的偏振光束。通过对出射光束使用Richards-Wolf矢量衍射法进行数值分析,得到了在大数值孔径条件下,聚焦光束在焦点附近的归一化光强分布。其中大多数出射光束的焦点光强分布为平顶光斑,光斑的最大径向半高全宽达到了1.541 。与同数值孔径下线偏光、径向偏振光及角向偏振光的聚焦光强分布具有明显区别。     

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。     

超声相控阵技术中的声场仿真

从单个矩形压电晶片的辐射声场表达式出发,定性分析了主要因素对声压强度及指向性的影响,提出了最小化主瓣及抑制栅瓣的具体方法。以16晶片相控阵探头为例,推导了叠加声场的表达式,分析了合成声压与焦点和换能器距离的关系。仿真并讨论相控阵探头晶片单元个数、晶片间距等因素对合成声束质量的影响,仿真结果与理论分析相吻合,为矩形相控阵探头声场评价及高性能相控阵探头的制作提供了参考。     

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．     

基于薄板理论的密排结构CMUT发射声场研究

由微机电系统(MEMS)工艺制作的电容式微机械超声换能器(CMUT),其具有宽频带,易与电子电路集成制作等优势,在医学成像领域具有广阔的应用前景。为了研究一种密排结构CMUT超声换能器的发射声场特征,该文提出了一种简单的物理域相互作用分析方法。基于薄板的振动理论,由CMUT单元的声学辐射原理及特性计算得到CMUT阵元辐射声场的解析解。通过振膜振动分布实验验证了采用薄板振动理论一阶振型方程的正确性。通过仿真和实验研究了CMUT发射单元在不同排布方式和条件下的声场分布、声轴声压和指向性,为CMUT的设计和性能分析提供了理论依据。     

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。     

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。     

声光调制器换能器阵列远场声束特性研究

根据亥姆霍兹方程的远场解,为使声光调制器(AOM)换能器在输出平面上声压输出的分布模式较好,衍射光能的传输特性更好,该文研究并提出了换能器的远距离分布模型.基于该理论模型,仿真分析了远场声束截面声强分布、传输中心轴声强分布及声束束宽等换能器相关特性,并利用计算激光衍射效率的方案进行实验验证.实验表明,测试数据与该理论模型吻合,在90％的能量区域内,理论模型拟合测试数据的误差低于5％,实验条件下声光晶体在2.08 mm≤z≤3.43 mm(z为晶体中传输距离)范围内具有最佳模式转化效率.利用此模型可确定声光器件中晶体最优衍射率区域.