硅油介质中矩形电容式微机械超声换能器发射与接收声场特性研究*

与传统压电式超声换能器相比,基于微机电系统微加工技术制备的电容式微机械超声换能器(CMUT)具有频带宽、灵敏度高、一致性好、易于集成等优势,在医学超声成像中具有广阔的应用前景。该文针对研制的矩形CMUT器件,开展硅油介质中CMUT发射、接收声场特性的理论分析及实验验证研究。首先,针对CMUT阵元结构特征和工作原理,根据指向性函数理论和Bridge乘积原理,建立了矩形CMUT阵元指向性函数分析模型。此基础上,分析微元数目以及谐振频率对CMUT指向性的影响规律。最后,针对7 mm×7 mm二维矩形CMUT在硅油介质中的发射和接收特性进行了实验验证,测试表明发射指向性曲线与仿真理论曲线基本吻合;此外,CMUT接收与发射指向性的测试表明,收发指向性具有一致性,从而验证了声场的互易性。该文的研究对CMUT器件的封装设计以及基于CMUT阵列的乳腺超声CT成像系统的研制具有重要参考价值。     

水下应用的电容式微机械超声换能器阵列设计

为提高用于水下成像的电容式微机械超声换能器的指向性,文中用ANSYS力电耦合分析法设计了工作频率为400 k Hz的收发一体传感器的结构参数并完成了实验验证。同时研究了阵列设计方法,分析了电容式微机械超声换能器阵列各参数对指向性的影响,完成了从微小敏感单元到阵列的设计,实现了阵列指向性的优化设计。该阵列为16阵元的线阵,阵元间距为1.925 mm,阵元宽度为1.82 mm。进行了水下指向性测试,实验表明该线阵的-3 dB主瓣宽度为5?,最大旁瓣级为-13.5 dB,对称性好。该设计是实现较远距离的探测,提高成像分辨率的前提。     

热疗用环形平面换能器声场特性的研究

引入负声源，导出了环形平面换能器声场的简洁表示式，计算了单个圆环、多个同心圆环同时激励及环阵相控聚焦声源产生的声场，分析了环的宽度、环数及聚焦点位置等因素对声场特征的影响。提出根据各阵元在声场中某点产生的声压的相位来确定各阵元电激励信号的延时，此方法较根据各阵元到该点的平均声程确定各阵元电激励信号的延时，能更难确地在该点实现聚焦。     

阵元固体指向性补偿对超声全聚焦成像的 优化研究*

超声全聚焦成像中,声波的传播受到阵元指向性的影响,位于阵元不同方位的缺陷成像幅度不同。缺陷相对阵列中心偏角越大,回波幅度越低,容易造成漏检。为提高超声全聚焦算法对固体中大偏角缺陷的成像能力,该文引入了矩形阵元固体指向性函数,建立了基于固体指向性补偿的超声全聚焦优化算法,利用指向性系数对不同角度区域的成像进行幅值补偿。实验结果表明,相对于基本超声全聚焦和传统指向性补偿的超声全聚焦算法,该文固体指向性优化算法对大偏角缺陷的成像幅度补偿效果更好,检测灵敏度更高,有效避免了缺陷漏检,扩展了超声全聚焦算法检测范围。     

面向水下应用的电容式微机械超声换能器*

电容式微机械超声换能器具有宽频带和易于制造二维阵列等优势,已经成为一种重要的新型超声换能器。该文针对图像声呐系统对新型超声换能器的迫切需求,提出了一种电容式微机械超声换能器结构和参数,并利用硅微加工技术制备出了该换能器,最后对其主要性能参数进行了测试和分析。测试结果表明该换能器具有发射和接收超声波的功能,中心工作频率为1.965 MHz,6 dB相对带宽达到109.4%,在1 MHz、2 MHz和3 MHz频率时的接收灵敏度分别为-218.29 d B、-219.39 dB和-218.11 dB。该文研制的电容式微机械超声换能器显示出了优秀的宽频带特性,且工作频率和接收灵敏度性能均基本满足了高频图像声呐系统的需求。     

慢波导环形换能器及其指向性

本文介绍了一种慢波导环形换能器及其指向性,文中给出了该换能器的结构及其指向性实验结果。实验结果表明,利用声学慢波导能够有效地改善环形换能器的指向性。文中对该换能器指向性形成的机理做了初步分析。     

应用于微电容超声换能器的信号处理电路设计*

针对微电容超声换能器的输出信号特征及检测要求,文中设计了换能器的微弱信号处理电路,包括基于跨阻的微弱电流信号检测和多重反馈带通滤波电路。通过搭建水下测试平台,对电路性能及功能进行实际测试,并进行水下测距实验。实验结果表明,该电路可对微电容超声换能器输出的400 k Hz信号进行检测放大与滤波;电路的线性度为0.18%,滤波电路中心频率为396 k Hz,带宽为55 k Hz。该电路可用于CMUT的接收信号处理并应用于超声测距及成像的前端信号处理。     

应用声学1987年第6卷第1—4期总目录

期页题目作者数数, 综述与评论超声生物效应及超声临床诊断的安全性·······················,·························································……冯若1(1)医用超声功率和脉冲超声场特性的测量·················································································……寿文德l(6)非线性声参数及其在超声成像中的应用··········…     

基于声学扫描振镜的超声/光声双模态成像技术

超声/光声双模态成像技术因其同时兼具超声的高分辨率结构成像和光声的高对比度功能成像优势,极大地推动了光声成像技术的临床应用推广.传统超声/光声双模态成像技术多基于超声成像所用阵列探头同时收集光声信号,系统结构紧凑且无需图像配准,操作便捷.但该类设备使用阵列探头和多通道数据采集,使得其成本较高;且成像结果易受通道一致性差异影响.本文提出了一种基于声学扫描振镜的超声/光声双模态成像技术,该技术采用单个超声换能器结合一维声学扫描振镜进行快速声束扫描,实现超声/光声双模态成像,是一种小型化、低成本的双模态快速成像技术.本文开展了系列仿体和活体成像研究,实验结果表明:系统有效成像范围为15.6 mm,超声和光声成像B扫描速度分别为1.0 s^–1和0.1 s^–1 (光声成像速度主要受制于脉冲激光器重复频率).基于本文所提技术研究,有助于进一步推动超声/光声双模态成像技术的临床转化和普及;也为基于超声信号检测的多模态成像技术提供了一种低成本、小型化和快速声信号检测的参考方案.     

线阵扫描超声相关合成成像方法与实验

本文讨论了改进的医用B超线阵扫描探头在工业无损检测中的应用．在合成孔径聚焦技术（SAFT）基础上提出了改进方法，在探元响应带宽较窄的情况下可获得较高信噪比的成像结果．文中介绍了成像系统，实验方法，并给出了一些实验结果．     

Ultrasonic focusing and scanning with multiple waves

This paper presents a new focusing and scanning method which focuses multiple waves on a target. The key of the method is to control excitation pulses for each element of the transducer array. The excitation pulse on each array element is obtained by time reversing the signal received by the same element, which is generated by an imaginary source at the target. The excitation pulses from all array elements are transmitted and arrive at the target simultaneously, and focusing is achieved. The performance of the two methods is compared in numerical examples, and it is demonstrated that the proposed method achieves a satisfactory focusing and a good signal-to-noise ratio no matter where the target location is.     

高能超声制备碳纳米管增强AZ91D复合材料的声场模拟

建立了高能超声制备碳纳米管增强AZ91D复合材料的声场计算模型, 并采用有限元方法计算了20 kHz超声直接作用下AZ91D熔体的声场分布, 熔体声场呈辐射状分布, 距离声源越远, 声压幅值越低. 采用超声作用下单一气泡变化模型描述超声作用下AZ91D 熔体中的空化效应, 通过对Rayleigh-Plesset方程的求解, 得到了不同声压作用下气泡的变化规律, 获得了声压幅值与熔体空化效应的关系, 声压幅值越大, 气泡溃灭半径阈值越小, 熔体发生空化效应越容易. 计算了固定坩埚尺寸、不同超声探头没入熔体深度情况下的声场, 得到了超声探头最优没入深度为30 mm左右. 将声场计算结果以及AZ91D熔体中空化效应的发生规律进行综合分析, 得到了超声功率对有效空化区域的影响规律, 超声功率较大时, 有效空化区域体积随超声功率近似成线性增大. 最后, 通过甘油水溶液超声处理实验, 验证了模拟计算的准确性.     

红外全景扫描跟踪成像系统设计与实现

针对红外搜索跟踪系统中全范围快速搜索和跟踪成像视场不同的问题,采用线列探测器配合高速转台和高均匀性扫描器,设计实现了一种360全方位搜索和跟踪的成像系统。实验结果表明,该系统成功实现了360全景扫描,在搜索到目标后可快速转入跟踪成像,由搜索转入跟踪成像状态的稳定时间小于1.94 s,系统性能指标达到实用要求。     

球壳换能器电声效率测量方法及声场特性分析

在高强度聚焦超声治疗系统中,换能器的电声效率是治疗剂量控制中的重要参数,其在焦域附近的声场分布同样重要。该研究以球壳聚焦换能器为研究对象,基于辐射力天平法与平面扫描法进行输出声功率的测量,同时测量其激励电功率后计算得到电声效率,并就其声场特性分布以及存在的非线性传播现象进行了简单阐述。两种测量方法测得的电声效率在声学计量的误差允许范围内,实验结果表明两种方法在测量球壳聚焦换能器输出声功率时具备较好的一致性。     

1-3型二维柱形凹面线聚焦换能器声场特性

设计并研制了柱面结构的1-3型复合材料凹面线聚焦换能器,在提高换能器带宽的同时,可以实现声场的线聚焦。将换能器内部PZT柱作为独立声源,应用瑞利积分和叠加原理,推导出了柱形凹面换能器总声场的理论表达式。通过仿真计算分析了换能器在聚焦线上的声场特点以及相关参数对聚焦性能的影响。对换能器参数做出合理设计,使换能器在实现线聚焦的同时,声场在聚焦线上的起伏较小,从而设计并制作出聚焦性能良好的线聚焦凹面换能器探头。实验测试结果表明采用本文方法计算得到的换能器声场与实测的声场分布基本符合,柱形凹面换能器在其几何焦点附近范围内均可实现聚焦,并在侧向上形成清晰的聚焦线,其聚焦线长度为换能器的侧向结构长度,在聚焦线上声场分布起伏较小。     

Influence of limited-view scanning on depth imaging of photoacoustic tomography

We study the influence of limited-view scanning on the depth imaging of photoacoustic tomography.The situation,in which absorbers are located at different depths with respect to the limited-view scanning trajectory,is called depth imaging and is investigated in this paper.The results show that limited-view scanning causes the reconstructed intensity of deep absorbers to be weaker than that of shallow ones and that deep absorbers will be invisible if the scanning range is too small.The concept of effective scanning angle is proposed to analyse that phenomenon.We find that an effective scanning angle can well predict the relationship between scanning angle and the intensity ratio of absorbers.In addition,limited-view scanning is employed to improve image quality.     

Influence of limited-view scanning on depth imaging of photoacoustic tomography

We study the influence of limited-view scanning on the depth imaging of photoacoustic tomography. The situation, in which absorbers are located at different depths with respect to the limited-view scanning trajectory, is called depth imaging and is investigated in this paper. The results show that limited-view scanning causes the reconstructed intensity of deep absorbers to be weaker than that of shallow ones and that deep absorbers will be invisible if the scanning range is too small. The concept of effective scanning angle is proposed to analyse that phenomenon. We find that an effective scanning angle can well predict the relationship between scanning angle and the intensity ratio of absorbers. In addition, limited-view scanning is employed to improve image quality.     

Schlieren成像和声场可视化

Schlieren技术是利用声场引起透明媒质光折射率的变化而实现声场可视化的光学成像技术。它具有对声场无干扰、快速、瞬态成像的特点。本文利用二维光学Fourier变换分析了Schlieren技术的成像原理,在采用连续激光和高速ICCD的Schlieren成像系统中,实验研究了平面波声场和线聚焦声场中换能器光学校准方法和声压的定量检测技术。发展声场瞬态和动态成像技术,观测了声波的聚焦过程和固-液界面的声场分布和变化。这些结果表明Schlieren技术是一种有效的声场可视化和定量检测的光学成像技术。     

Design of three-dimensional imaging lidar optical system for large field of view scanning

Three-dimensional (3D) lidar has been widely used in various fields. The MEMS scanning system is one of its most important components, while the limitation of scanning angle is the main obstacle to improve the demerit for its application in various fields. In this paper, a folded large field of view scanning optical system is proposed. The structure and parameters of the system are determined by theoretical derivation of ray tracing. The optical design software Zemax is used to design the system. After optimization, the final structure performs well in collimation and beam expansion. The results show that the scan angle can be expanded from ±5° to ±26.5°, and finally the parallel light scanning is realized. The spot diagram at a distance of 100 mm from the exit surface shows that the maximum radius of the spot is 0.506 mm with a uniformly distributed spot. The maximum radius of the spot at 100 m is 19 cm, and the diffusion angle is less than 2 mrad. The energy concentration in the spot range is greater than 90% with a high system energy concentration, and the parallelism is good. This design overcomes the shortcoming of the small mechanical scanning angle of the MEMS lidar, and has good performance in collimation and beam expansion. It provides a design method for large-scale application of MEMS lidar.