点聚焦换能器声场的可视化和测量

0引言声场校准一直以来是声学研究者们广泛关注的方向。传统的校准方法如互易法、自易法、辐射力法等均需在声场中引入接收介质来对指定点的声场进行测量[1]。但是,接收介质的介入本身会对声场产生影响,特别是当我们需要探测高频声或极小点处的声场时,接受介质的引入对测量结果造成影响十分显著,降低了测量精度。     

活塞聚焦换能器的二次谐波声场

1　引　言　　研究聚焦换能器的非线性声场是非线性声学中受到关注的问题。这是由于聚焦活塞换能器在焦点附近能产生很强的非线性且圆型活塞聚焦换能器由于能有效地提高分辨率而被广泛应用于超声医学诊断及超声显微镜。对于有限振幅的活塞聚焦声场 ,分析时必须同时考虑衍射效应和非线性波型畸变效应 ,因此在数学分析上相当复杂 ,Lucas等人 [1] 在Parabloic近似下 ,导出了活塞聚焦换能器的基波 ,二次谐波积分型式的解 ,尽管这种解的形式是解析的 ,但由于解的形式是多重积分 ,对于实际的声场分析计算不够方便。由于高斯函数的积分具有相对简…     

共聚焦非线性声场的研究

1引言 聚焦换能器可在焦点附近产生很强的非线性并且能有效地提高分辨率,从而被广泛应用于超声医学诊断及非线性超声显微镜中.章东、龚秀芬等基于近轴及准线性近似下的KZK非线性方程[1],利用高斯函数叠加法[2]来近似表示活塞聚焦声源的源分布函数,研究了生物组织样品插入后聚焦换能器的非线性声场,得到二次谐波分量的解析解[3].本文在此基础上进一步研究了在聚焦声场中用另一聚焦换能器接收到的二次谐波分量,并对生物组织样品(猪的肝组织、脂肪组织)插入到焦区后接收到的二次谐波分量与两换能器间距离的关系进行了数值模拟.     

基于近场声全息的聚焦换能器声场测量方法研究

高强度聚焦超声(HIFU)被广泛应用于医疗领域,但聚焦换能器焦点处的声强比较大,直接测量容易造成水听器损坏.为了间接获得焦点处声压,将全息测量面近似等效为声源面,结合空间傅里叶变换算法,提出了一种高测量效率的聚焦换能器声场测量方法.以球面自聚焦换能器为对象,进行声场测量方法的仿真研究和实验验证.结果表明,该方法比积分法...     

聚焦换能器焦域声场扫描路径规划及测量

聚焦换能器的焦域声压扫描是其声学特性计量的重要步骤,而传统的扫描路径测量效率较低,提出基于聚焦声场分布特征的扫描路径规划方法。首先给出了实验方案和原理,分析了聚焦换能器声场的焦域声场特性,然后对聚焦换能器进行有限元仿真分析,获得焦域声场的声压分布,根据声场同心圆分布特性,以焦点处为0 dB声压级,获得不同声压级对应区域作为水听器扫描特征区域。最后,搭建了实验系统,实验结果表明,-6 dB的焦域长度和宽度等参数均与理论值、传统机械测量机构的测量值一致,保证了测量精度并且有效提高了测量效率。     

高强聚焦声场中的非线性能量转换

1. 引言 高强聚焦超声波(HIFU)具有安全的穿透生物组织而到达患处的能力,因而其在临床医学治疗癌症方面具有巨大应用潜力,近年来,已被广泛的研究[1-4].HIFU治疗癌症是利用超声波在传播过程中,由于媒质吸收,使一部分声能转化为热能,进而加热病患处组织、杀死病变细胞.因此,正确预测声场的分布以及声能与热能之间的转换是十分重要的.早在上个世纪八九十年代,线性声场模型已被广泛地用来估计HIFU作用下的温度场[1-2];但是近年来越来越多的工作表明,强声场作用下,非线性效应对温度场有着重要的影响[3].先期的工作只限于研究小张角换能器激发的HIFU声场,然而,实际应用中换能器的张角却通常是较大的,最近,Kamakura等人提出了一种扁球体坐标系统,并建立了扁球声束方程(spheroidal beamequation(SBE)).研究证明,由于这种坐标系统可以更好的吻合聚焦换能器的形状,因此SBE方程可以更好的预测强聚焦声场,特别是当换能器张角很大时[4].     

基元控制的方式优化自聚焦换能器聚焦声场的研究

根据HY2900聚焦超声治疗系统聚焦换能器采用6基元自聚焦方式的特点,通过对6基元聚焦换能器排序及数量的控制,达到了避让特定部位的目的。采用亥姆霍兹-基尔霍夫积分计算并用HY2900声场测量软件测量换能器在脱气水中声场的分布。对6基元换能器排序进行定义,结合水听器控制基元数及排序。在对换能器基元全驱动,关闭1、6基元,关闭1、2、6基元,关闭1、3、5基元的四种状况下测量聚焦换能器途径声场及焦平面声场分布。研究发现焦点上10 mm声场分布平面直接反映换能器基元数及随排序的改变换能器聚焦声途径的变化,可通过对换能器基元排序及数量的控制,优化其途径声场分布。     

用锥面靶测量大口径聚焦换能器声功率的计算讨论

辐射压力法是超声功率测量中常采用的方法，用辐射压力法测量声动功率中对于不同反射靶面的功率与压力之间的换算关系是非常重要的。文章从能量守恒基础出发，推导了大口径聚焦换能器声场作用于锥面反射靶的功率与压力的换算关系，并将结果应用于凹锥面反射靶计算。     

HIFU聚焦探头声场功率测量的凹锥面反射靶设计分析

在HIFU聚焦探头声功率测量中,常用吸收靶来进行声功率测量。锥面反射靶是辐射压力法测量大功率超声功率常用的反射靶面,本文分析了凹锥面反射靶的设计参数与HIFU聚焦探头参数之间的关系。为这种靶面参数设计提供了理论依据。本文分析中未计及靶材及厚度对测量结果的影响。     

超声换能器声场的理论分析

本文对超换能器时域、频域声场及它们之间的关系进行了分析，从理论上说明二者间由傅低变换相联系。     

Computationally efficient sound field calculations for a circular array transducer

A computationally efficient method is presented for calculating field pressure distributions from a circular phased array transducer. This method employs a form of the rectangular radiator approach modified for use with the geometry of a circular array. The curved surface of the elements, radiating either continuous wave or pulsed excitation signals, is divided into incremental rectangular areas small enough so that the Fraunhofer approximation can be applied. Once the directivity of a single element is found, the array beam pattern can be calculated using superposition and suitable coordinate transformations. The validity of this approach is verified through comparisons with experimental data from a circular phased array. The results show that the location and amplitude of the grating lobes and main lobe width can be predicted with reasonable accuracy by using this method.     

均匀活塞阵辐射声场研究

主要研究了均匀活塞阵的近-远场的辐射声场。首先利用点源声波干涉原理建立均匀点源活塞阵的辐射声场理论,进而推导均匀活塞阵的近-远场的辐射声场函数表达式,并采用Matlab软件仿真了近-远场的辐射声场,分析了近-远场的声场变化规律、声轴方向声压的变化规律和旁瓣级的变化规律。通过与实测的80 kHz均匀活塞阵换能器近-远场的辐射声场对比,表明了实测结果与仿真结果基本一致,验证了理论与测量方法的可行性,能够为实际测量工作提供指导。     

提高阿基米德螺旋相控阵换能器焦点声压的仿真研究

针对阿基米德螺旋相控阵换能器焦点声压不足的问题,通过有限元仿真,分别讨论了换能器阵元形状和频率改变与声场的变化关系,从焦点声压、偏转范围、栅瓣水平、焦域大小等方面进行了研究。结果表明,相同频率下,扇形阵元阿基米德螺旋相控阵换能器的焦点声压比圆形阵元时的焦点声压提高了32.28%,偏转范围为20 mm×20 mm×40 mm;在扇形阵元形状的情况下,频率选择0.9~1.0 MHz,不仅能获得较高的焦点声压,同时还能保证改善聚焦性能。文章的仿真结果为阿基米德螺旋相控阵换能器提高焦点声压,满足深部组织消融治疗需要的高功率要求提供了有用的设计参考。     

医用体外碎石机焦点声场特性检测与校准

为了检测医用体外碎石机焦点位置的声场特性,判断是否符合国家标准要求,特采用直接测量的方法,使用针式水听器在时间和空间域内进行逐层扫描,寻找焦点位置并测量焦点位置的声压强度;通过能量图直观显示焦点位置的能量分布,通过测量采集到焦点位置连续10次冲击波的声场强度、脉冲上升时间、脉冲宽度.这样所得到的医用体外碎石机焦点声场特性符合国家标准的要求.     

An oscillating superleak sound transducer

A resonator has been constructed in which a rigid superleak, fixed at one point across an annular cavity filled with liquid ⁴He, behaves as a differential filter for superfluid flow. The boundary conditions which obtain at the superleak determine the motion of the total fluid in the annulus and, by its reaction force on the superleak, the motion of the resonator as a whole. The condition for resonance motion of the resonator when driven (externally) by a periodic torque has given information about the temperature dependence of the superfluid density in the superleak which, in these experiments, was porous vycor glass.     

点聚焦超声辐照下液体中的声场和声化学场分布

通过数值模拟和实验分别研究了点聚焦超声换能器在液体中直接辐照和间接辐照时产生的声场和声化学场分布。研究结果表明,在直接辐照时,数值模拟得到的液体中声压较大位置与声化学反应场位置相一致:在聚焦超声焦点处及液体表面附近。当使用间接辐照时,焦点处声压减小,在试管底与超声换能器之间形成驻波。为了增加间接辐照时容器内的声压,实验使用底端贴有薄膜的双通试管,通过计算机模拟和实验证明在该情况下,容器内声压,特别是容器焦点处声压和声化学反应场有所增强。     

聚焦换能器声强和声功率测量方法研究

针对聚焦声场的特点,以及辐射力天平(RFB)只能获得单一功率指标的缺点,提出一种基于近场测量法的聚焦换能器声强和声功率评价方法。通过声场测量系统对聚焦换能器预聚焦区域中两个平面上的声压扫描测量,运用声强法得到聚焦换能器的声强分布以及辐射声功率。采用活塞换能器的远场测量法与近场测量法进行比对,两种方法得到的声功率误差不超过12%。比较预聚焦区域声功率值和焦点处声功率值,分析声功率评价方法的准确性。发现聚焦声场中不同位置处的声功率值一致性误差5%,同一位置处的声功率值重复性误差2%。结果表明,近场测量法适用于对聚焦换能器声强和声功率的评价,可有效避免直接测量对测量设备的损坏,同时还克服双水听器声强互谱法频率上限低以及测量系统相位不匹配的缺点。     

Composite piezoelectric transducer with truncated conical endcaps“cymbal”

This paper presents original results obtained in the development of the moonie-type transducers for actuator applications. The moonie-type actuators fill the gap between multilayer and bimorph actuators, but its position-dependent displacement and low generative force are unacceptable for certain applications. The moonie transducers were modified systematically by using finite element analysis combined with experimental techniques. A new transducer design, named “cymbal transducer”, was developed with larger displacement, larger generative forces, and more cost-effective manufacturing. The cymbal transducers consist of a cylindrical ceramic element sandwiched between two truncated conical metal endcaps and can be used as both sensors and actuators. The cymbal actuator exhibits almost 40 times higher displacement than the same size of ceramic element. Effective piezoelectric charge coefficient, Eff. d₃₃, of cymbal is roughly 40 times higher than PZT itself