声光偏折效应球壳型换能器聚焦焦点峰值声压的测量

利用声光偏折效应,设计了一种测量球壳型换能器辐射聚焦声场焦点峰值声压的简便实验方法.基于焦点峰值声压与最大光偏折量之间的理论关系,通过测定聚焦声场焦域的最大光偏折量,获得球壳型聚焦换能器的焦点峰值声压;采用有限元方法对聚焦换能器辐射声场进行数值分析.对比实验测量结果,发现二者相对误差为7.33%,符合较好.该实验方法在医疗超声快速校准方面具有广泛的应用前景.     

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,该方法比积分法推算效率提高了1倍,测量误差保持在有效范围内,该方法可以有效用于聚焦换能器声场测量。     

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。     

基于激光全息法的聚焦换能器近场声特性分析

研究了基于激光全息法的低频聚焦换能器近场测量方法,分析了利用激光全息法测量近声场特性时的基本原理,构建了一套实验测量系统。为验证该方法的可行性与准确性,利用激光测振仪对1个由25个压电小柱按5×5排布构成,频率为80kHz且表面带有自聚焦声透镜的聚焦换能器的声场进行实验测试和推算,获得了距离该换能器辐射凹面中心50mm处振动膜片上的声压幅度和相位分布,推算出此聚焦换能器声轴线上的声压分布与焦点处声压分布,同时使用COMSOL模型仿真与水听器测试,对比验证了激光全息近场测量后远场外推结果的高准确性。     

功率超声聚焦波束发生器

本文介绍的功率超声聚焦波束发生器是采用六个面积相等的同心圆环形平面换能器作为声发射基阵。当改变对每个圆环的电激励信号从外向内递增的时延，就能实现改变等效球面换能器的曲率半径，从而达到可变聚焦焦距的目的。本系统经聚焦后在声焦点处的声束宽度（按－６分贝计）与平面换能器的声束宽度相比，声束缩小了大约５倍。本装置在水槽里工作时，可明显看到在声焦点附近由于空化所引起的气泡群。根据气泡群的分布可以直接观察到聚焦波束的大致形状。 本文还在理论上导出了由六个圆环构成的等效球面换能器在空间任意点Ｑ的声压表示式，由此可以计算出超声聚焦声场的形状，为确定时延系统的设计参数提供了依据。     

聚焦超声清洗机的仿真设计与实验研究

目前,超声清洗机通常是将一组换能器排布于平面式清洗槽底部,但用此方法会形成驻波现象,不利于超声清洗。文章提出了一种球面式聚焦超声清洗的方法,与普通超声清洗相比,该方法提高了超声清洗的效率。文章采用有限元COMSOL Multiphysics软件对清洗机内声场进行分析,得到三维模型内声压的分布情况;研制了聚焦超声清洗机,并通过薄膜腐蚀实验验证了清洗机内的声压分布情况;通过对比试验发现,聚焦超声清洗油污的速度比普通超声清洗提高了77.27%。通过薄膜腐蚀实验和超声清洗实验可知,聚焦超声清洗机内声场分布均匀,且声场内存在能量聚焦区域,清洗速率高于普通超声清洗机。     

球面聚焦超声场计算与测量实验

研究了球面聚焦超声场的声压场计算。应用物理声学方法,推导了聚焦超声场声压的积分表达式,并通过数值分析法进行了计算和仿真,同时讨论了两种特殊情况下的声压近似解析式。最后推出了测量高强度聚焦超声装置声压的实例,其结果与理论仿真结果相近,偏差不大于３％。     

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。     

经颅聚焦超声治疗脑血栓的数值仿真研究

脑卒中是致残和致死的首因,经颅脑卒中治疗具有无创和颅内出血风险低等优势,目前经颅聚焦超声治疗血栓性缺血脑卒中时使用参数尚不明确。基于志愿者头颅CT图像和82阵元相控换能器建立三维数值仿真模型,利用时域有限差分法数值解析Westervelt声波非线性传播方程,对0.5～1.0 MHz超声激励频率和输入声功率等参数进行数值仿真筛选。结果表明：频率相同时焦点处形成的负压越大所需输入声功率越大,经颅所需输入声功率约为开颅的1.5倍;频率越高焦域面积越小但焦域处的旁瓣增多;频率相同时经颅和开颅模型的焦域形状和大小相近但经颅时的旁瓣较强;焦点处负压达到具有溶栓效果的-6 MPa和具有显著溶栓效果的-8 MPa时所需声功率随频率的提高先减少后增加且频率为0.8 MHz时最小;辐照时间和占空比对焦点位置和焦域面积没有影响。     

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。     

一种提高热声发动机压比的"声学变压器"

针对目前低温热声制冷机的驱动压比比较低的现状,提出了一种连接在热声发动机与制冷机之间的一种变压装置.热声发动机产生的压力波动在经过此变压器进行"变压"后,波动压力幅值大幅升高.对此方案设计了原理性的实验,表明声波在经过此变压器之后压力幅值能够提高3倍左右,充分证明此变压器具有大幅度提高压力幅值的能力.     

Numerical analysis of the radiated fields of circular pistons andtime-delay spherically focused arrays

Radiated fields of a circular transducer and a time-delay spherically focused transducer array are analyzed and compared using classical impulse response method and finite element analysis. In the first approach, the velocity potential at an observation point is expressed as the convolution of the excitation velocity and the impulse response, while the pressure is obtained by the differentiation of the velocity potential. The impulse response for an array is expressed as the superposition of those of a series of circular pistons and is dependent on the observation point and piston/array structure. The finite element method starts with the formulation for elastic waves, and the pressure fields are obtained through the pressure analog method. No paraxial or farfield approximation is needed and excellent agreement is observed between results from the two methods     

基于反射探针的聚焦超声测量传感器设计和方法研究

基于钨钢探针和PVDF压电薄膜材料,设计研制了一种用于聚焦超声测量的新型传感器。同时,通过理论分析和有限元分析软件建立了传感器物理模型,并对传感器的内部声场及反射状况进行了模拟仿真,获得传感器输出信号的波形和幅值。最后,利用研制的传感器对聚焦换能器焦域声压和声强进行检测,并将检测结果与理论仿真结果对比,在10W的声功率范围内,证明了新型传感器及其测量理论和方法在聚焦超声测量中的可行性与可靠性。该新型反射探针传感器将为高强度聚焦超声声场的测量提供一种新的方法。     

Numerical analysis of wave generation and propagation in a focused surface acoustic wave device for potential microfluidics applications

We develop a 3-D finite element model of a focused surface acoustic wave (F-SAW) device based on LiNbO/sub 3/to analyze the wave generation and propagation characteristics for devices operating at MHz frequencies with varying applied input voltages. We compare the F-SAW device to a conventional SAW device with similar substrate dimensions and transducer finger periodicity. SAW devices with concentrically shaped focused interdigital transducer fingers (F-IDTs) are found to excite waves with high intensity and high beam-width compression ratio, confined to a small localized area. F-SAW devices are more sensitive to amplitude variations at regions close to the focal point than conventional SAW devices having uniform IDT configuration. We compute F-SAW induced streaming forces and velocity fields by applying a successive approximation technique to the Navier-Stokes equation (Nyborg's theory). The maximum streaming force obtained at the focal point varies as the square of the applied input voltage. Computed streaming velocities at the focal point in F-SAW devices are at least an order of magnitude higher than those in conventional SAW devices. Simulated frequency response indicates higher insertion losses in F-SAW devices than in conventional devices, reflecting their greater utility as actuators than as sensors. Our simulation findings suggest that F-SAW devices can be utilized effectively for actuation in microfluidic applications involving diffusion limited transport processes.     

开口凹球面聚焦声场分析

高强度聚焦超声（HIFU）治疗局部肿瘤存在聚焦换能器和定位探头同时旋转的问题，考虑到实际工程中必须考虑B超探头的放置对聚焦声场的影响。文章就此进行了研究。结果表明：开口的凹球面会降低焦区声压幅度。随着开孔半径的变大。焦区声压呈下降的趋势，焦区越长，越不利于聚焦；随着开孔位置距轴线的距离变大。焦区声压呈下降的趋势，而焦区的位置变化不大，文章同时对相应的温度场也进行了相关的分析。     

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。     

非刚性管中换能器灵敏度的测量方法研究

为实现非刚性管中的换能器低频灵敏度校准,提出了基于互易常数修正的管中灵敏度校准方法。首先,基于管中非刚性边界条件和声压的方程进行了互易常数的推导及修正,并围绕管中互易常数的修正开展了仿真分析,得到测量频率段互易常数的修正值;其次,搭建实验系统开展了基于互易法的管中换能器的灵敏度测量研究。研究表明,管中互易常数的修正使互易换能器灵敏度值更加接近自由场互易法测得的灵敏度值。在0.5~4kHz 频率范围,补偿后的互易换能器灵敏度级最大起伏为-1.41dB,极大改善了未修正的测量情况,与自由场测量值的误差较小,符合声学计量要求。通过对实验与仿真进行对比分析,验证了该方法的有效性和准确性。     

不等厚复合构件相控阵超声脱粘检测技术仿真研究

鉴于不等厚复合构件结构的特殊性,采用传统超声检测技术检测此类构件的粘接质量是非常困难的。采用超声相控阵技术实现界面粘接质量的检测。分析研究了不等厚复合构件脱粘检测的特殊性。建立了相控阵超声换能器的辐射声场模型,基于仿真得到的声场,研究了采用超声相控阵技术检测不等厚复合构件界面脱粘的可行性。仿真结果表明,通过控制相控延时,可使检测声束在检测区域内聚焦到任意位置处,保证在厚度变化的界面处回波信号幅度的一致性,可用于此类构件的界面脱粘检测。     

高频压力振荡引起压电式传感器受损现象的分析

在不同口径的再生式液体发射药火炮中，普遍存在着频带分布很宽的大振幅高频压力振荡，这些压力振荡对目前使用的压电式压力传感器具有潜在的破坏作用，本文介绍了液体药再生喷射燃烧压力测量过程中所观测到的传感器损坏的几种方式，并且探讨了改善高频压力振荡条件下情感器耐用性的方法。