高斯型超声换能器及其线性与非线性声场

本文介绍了一种具有独特性能的高斯型声场。声场的分析包括线性与非线性。同时对产生这种高斯型声场的高斯型超声换能器的当前研究也作了介绍与评述。文章也指出了高斯型换能器在超声检测中的应用前景。     

基于纹影法的聚焦超声声场重建算法研究

为了从聚焦超声声场纹影图像直接重建声场声压分布图像,首先根据水中声波与光波的作用规律,利用Zernike相衬技术得到纹影系统中空间声压分布与纹影图像中光强的关系,再通过纹影系统获得聚焦超声声场实时图像,最后根据纹影系统的物理特性经过反投影重建算法重建出凹球壳聚焦超声换能器的空间声压分布。分析可知,理论声焦域横向与声轴大小分别为0.15 mm、1.4 mm,重建声场电功率为12 W时横向最接近为0.25 mm,30 W时声轴最接近为1.35 mm。与球壳换能器的理论声压分布进行对比的结果表明,该方法具有一定可行性,可以用于聚焦超声换能器的声场分布检测。     

数值法研究光的圆孔衍射实验现象

在平行平面波近似的情况下,数值法求解菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式,得到平行平面光波通过圆孔衍射后的光强分布图.通过对纵向及横向光强分布图的数值分析,验证了轴上点光强由菲涅耳数决定,菲涅耳数大于1时为菲涅耳衍射区,菲涅耳数小于1时为夫琅禾费衍射区.在近场,光强分布为明暗相间的环形条纹;在远场,光束演化成束腰位置在圆孔处的高斯光束,仿真结果与理论和实验结果基本一致.本仿真结果将光衍射的抽象理论直观化、可视化.     

球形腔聚焦换能器的非线性声场建模

球形腔聚焦换能器是一种特殊形式的聚焦换能器。为理论证实球形腔聚焦换能器能突破传统超声聚焦在聚焦精度和聚焦增益上的限制,采用Westervelt非线性方程并结合时域有限差分法,建立了球形腔聚焦换能器的非线性声场的数值模型。数值计算了直径为120 mm的0.6 MHz球形腔聚焦换能器的非线性声场,并与传统球壳形聚焦换能器进行了对比。当激励声压为100 kPa时,球形腔聚焦换能器与同尺寸壳形聚焦换能器相比,焦点正声压增益提高约8.5倍,且焦域精度更高,-6 dB聚焦区域在z方向减小约20倍,达到次波长尺度。研究表明球形腔聚焦换能器在高强度聚焦超声精细治疗上具有潜在的应用前景。     

多层介质中超声相控阵声场仿真*

由于良好的声束偏转与聚焦特性,超声相控阵已经广泛应用于多层固体介质的缺陷检测。当超声束经过多层介质时,由于反射、透射以及模式转换的存在,多种声束存在于这种结构中,使得声场分析变得复杂。为了提高多层介质检测的准确性,有必要对超声声场的分布规律进行深入地了解。该文结合高斯声束等效点源模型以及射线追踪法,给出了相控阵声源在多层固体介质中激发声场的仿真方法,并且模拟计算了一维线型相控阵在楔块-铝-黄铜-钢四层固体介质中的辐射声场。通过对不同延时法则的计算,实现了声波在这种复杂介质中的偏转与聚焦,进而研究了不同焦点处聚焦声场的分布。结果表明:相控阵方法能使聚焦点处的声场幅值增大,能量集中,提高了检测分辨率;不同聚焦点处声场聚焦效果不同,实际检测时应根据检测区域结构及位置特点,合理放置相控阵换能器。与瑞利积分法的比较表明,该文的仿真方法适用于多层介质相控阵声场的计算。     

高强度聚焦超声二维相控阵列的声场控制模式研究

研究了高强度聚焦超声热疗场的声场模式,并给出了二维相控阵列的声场模式控制算法。单焦点扫描声场模式在治疗中等偏大的肿瘤时容易引起非线性效应;采用基于伪逆矩阵的声场合成算法,直接形成了多焦点的控制模式,为焦域控制提供了新的思路。利用声场快速算法对30×30二维面阵的单焦点扫描声场模式和多焦点直接合成声场模式进行计算机仿真,仿真结果表明多焦点模式大大降低了焦点处的声强;而且基于此模式,采用加权优化算法对激励向量进行优化从而提高了阵列的激励效率,采用改进的特征向量优化算法优化了多焦点热疗模式的声场增益,增加了能量在目标体积的沉积,同时消除不期望的潜在热点,为超声热疗场的模式控制提供了理论依据。     

B型超声诊断仪凸阵探头复合聚焦声场的研究

本文对B型超声诊断仪中广泛使用的凸阵探头的复合聚焦声场进行了研究,给出了复合聚焦情况下电子延迟聚焦和等效于几何聚焦的延迟时间。利用亥姆霍兹积分公式给出了电子聚焦和复合聚焦情况下的声场表达式,利用辛普森数值积分在86/330微机上进行了大量的模拟计算,通过改变阵的参数,选出了比较理想的四段电子和复合聚焦的聚焦范围和波束宽度。
对计算结果进行比较可得:横向透镜并不影响侧向的聚焦范围和波束宽度,而只增大声压的幅值(即能量更集中了),反之亦然。
在3.5MHz工作频率下,侧向聚焦范围可达10cm而波束宽度不超过3.5mm;横向聚焦范围在5.5cm时,波束宽度小于4mm,在7.5MHz工作频率时,侧向聚焦范围可达6cm而波束宽度小于1.2mm,数值计算还给出了凸阵孔径及阵元高度对侧向聚焦范围及波束宽度的影响。     

Feasibility of a phased acoustic array for monitoring acoustic signatures from meshing gear teeth

This paper investigates the feasibility of sensing damage emanating from rotating drivetrain elements such as bearings, gear teeth, and drive shafts via airborne paths. A planar phased acoustic array is evaluated as a potential fault detection scheme for detecting spatially filtered acoustic signatures radiating from gearbox components. Specifically, the use of beam focusing and steering to monitor individual tooth mesh dynamics is analyzed taking into consideration the constraints of the array/gearbox geometry and the spectral content of typical gear noise. Experimental results for a linear array are presented to illustrate the concepts of adaptive beam steering and spatial acoustic filtering. This feasibility study indicates that the planar array can be used to track the acoustic signatures at higher harmonics of the gear mesh frequency.     

凹面相控阵聚焦声场在液固界面上的反射和折射

开展了凹面线性相控阵列辐射声场在液固界面上的反射和折射特性研究,利用射线近似方法,得到了凹面相控阵聚焦声场在液固界面上反射和折射后的声场渐近解析表达式,对声波在液固曲面上的反射和折射声场进行了分析和讨论. 利用这个解析表达式,对凹面线性聚焦声场在液固平界面和液固圆柱界面情况下固体中折射纵波和折射横波的相控阵声场进行了分析和讨论,发现凹面线阵声场在液固圆柱界面下比液固平界面具有更好的聚焦效果. 关键词： 凹面阵列 超声相控阵 反射与折射     

Ultrasonic field modeling for immersed components using Gaussian beam superposition

The Gaussian beam (GB) superposition approach can be applied to model ultrasound propagation in complex-structured materials and components. In this article, progress made in extending and applying the Gaussian beam superposition technique to model the beam fields generated by transducers with flat and focused rectangular apertures as well as with circular focused apertures is addressed. The refraction of transducer beam fields through curved surfaces is illustrated by calculation results for beam fields generated in curved components during immersion testing. In particular, the following developments are put forward: (i) the use of individually determined sets of GBs to model transducer beam fields with a number of less than ten beams; (ii) the application of the GB representation of rectangular transducers to focusing probes, as well as to the problem of transmission through interfaces; and (iii) computationally efficient transient modeling by superposition of ‘temporally limited’ GBs.     

浅海低频垂直相控阵多模声场聚焦研究*

为了提高低频垂直相控阵声场聚焦的环境适应性,增强环境失配情况下的声场聚焦效果,提出一种多模声场聚焦方法。该方法利用环境失配对低阶模态影响相对较小的特点,只利用前3阶模态进行发射权系数的计算。仿真结果表明,多模声场具有较大的聚焦跨度,在环境失配情况下仍能在期望的聚焦位置实现良好的聚焦效果。进一步地,根据巴斯微扰理论计算分析了多模声场的混响特性。由于多模声场聚焦将能量集中到了掠射角较小的低阶模态中,因此比最优权系数聚焦具有更低的混响平均强度。多模聚焦对聚焦深度进行扫描可以实现目标的深度分辨,这在水下目标探测方面具有较高的应用前景。     

A synthesis pattern of acoustic field produced by phased array based on the direct weighting of the controlled acoustic pressure

To optimize the acoustic field produced by phased array effectively and quickly, the pseudo-inverse method proposed previously is simplified.An approximate weight formula of sound pressure using a method of compensation to the amplitude and phase of the controlled sound pressure was presented.A multiple-focus field patterns based on the pseudo-inverse matrix algorithm can be obtained by presetting the value of the controlled sound pressure.A phased array comprised of 16×16 square elements is used for numerical simulation.The results show that the acoustic energy can be effectively deposited at the desired points,and the acoustic field can be synthesized quickly using the direct weight formula of the sound pressure.This study may offer an effective way for controlling the distribution of acoustic field in ultrasound hyperthermia.     

被控点声压直接加权的相控声场合成模式

为快速高效地对相控阵声场进行优化,对伪逆算法进行了简化。通过对被控点声压进行幅值和相位补偿,得到了一个近似的声压加权公式。应用该公式预设被控点声压值,然后运用改进的伪逆矩阵算法确定相控阵各阵元的振幅和相位,从而得到一个直接的多焦点声场合成模式。基于该合成模式设计了一16×16个正方形阵元构成的平面相控阵,并对多焦点声场的合成进行了数值仿真。结果表明,该方法可提高声能在目标点的沉积能力,具有较高的声场合成效率,为超声热疗中声聚焦控制提供了一条有效的途径。