单阵元圆形超声换能器辐射声场分布特性测试与分析1
生物医学超声实验报告 实验二 单阵元圆形超声换能器辐射声场分布特性测试与分析
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实验二 单阵元圆形超声换能器辐射声场分布特性测试与分析
李武松 生基硕81 08123011
一、实验目的
1、 复习单阵元超声换能器声场分布特性的理论知识，包括单阵元圆形聚焦和非聚焦换能器。
2、 学习利用针式水听器测试换能器声场特性的原理及方法。
3、 利用实验室Panametrics多扫描系统测量5 MHz、3.5MHz、2.25 MHz、1MHz聚焦或非聚焦Panametircs换能器声场分布，掌握实验过程和数据的计算机处理方法。
4、 比较同频率聚焦换能器与非聚焦换能器的声场特性；比较不同频率的聚焦换能器的声场特性、不同频率的非聚焦换能器的声场特性，并分析声场特性随频率的变化规律；
二、数学物理原理
Ⅰ 诊断超声换能器的声场特性
超声辐射场是指超声能量分布的空间，即超声换能器所发射的超声波到达的区域，接受超声治疗与检测的区域均属于超声场的部分。 各种换能器辐射的超声场取决于换能器本身的特性、尺寸、形状等。
1. 单阵元非聚焦超声换能器的声场特性
根据声学理论，一个有限尺寸的换能器或阵的辐射声场，可以按照惠更斯原理进行分析，即将换能器或阵的有效辐射面，看作是无数点声源的组合。辐射声场中某一点的声压是辐射面上所有的点源在该点产生的声压叠加的结果，因而可以通过对整个辐射面的积分来计算，如图1所示。
图1 圆片换能器轴向辐射
对于实验所用的单源圆形平面换能器，其轴线上任意一点的声压公式为：
122202sin[()]sin()zppazztka (1)
其中，0p为声源处起始声压；a为圆片半径；z为该点距离声源的距离；为角频率；2k，为波长，声压随时间作周期性变化。声压振幅： zxaOdszrmy生物医学超声实验报告 实验二 单阵元圆形超声换能器辐射声场分布特性测试与分析
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122202sin[()]mppazz (2)
当2za时， 202sin()2mappz (3)
又当23az时，22sin()22aazz，所以200mpapSpzz（2Sa，即圆盘面积） (4)
从上式可以看出，mp与z成反比，即当z足够大(23az)时，圆形声源轴线上的声压随距离的增加而衰减，如图2：
图2 圆片换能器（a）声束（b）轴线上声压分布
在近场有极大极小值，这是由于在靠近声源处，换能器平面边缘和平面中心辐射声波到达轴线上某点波程差不同引起声波相互干涉的结果。最后一个极大值点位置为:
2244NaZ (5)
如果2a，则化简为: 2NaZ (6)
轴上最后一个极大值的位置Nz常被作为近场和远场的分界点，自Nz开始，声束开始扩散，扩散角为2(=arcsin1.22λ/d)。
2. 单阵元凹面球壳形聚焦换能器的声场特性
在超声诊断中，为了得到较好的分辨率，将尺寸较小的不同组织正确无误的区分开来，要求超声波瓣要窄，而单阵元换能器产生的波束较宽，因而要采用聚焦的方法使波束变窄，目前常用的聚焦方法包括：声透镜聚焦、声反射镜聚焦和利用曲面换能器直接发射聚焦声束等三种方法。本次实验用的聚焦换能器采用的是第三种方法——利用曲面换能器直接发射聚焦声束。
对于单阵元聚焦球形换能器，球面半径为a，焦距为R，则焦平面上的声压场为：
200100(,)()cos(())araprtcjinctrRR (7)
其中22rxy，0是换能器表面粒子振动的幅度，002/c是超声波长，1()(2)/jincxJxx，1()J是一阶贝塞尔柱函数。焦平面上声压幅值分布为： 2.5z/zN换能器半扩散角近场远场(a)(b)θ2a2100.511.52盲区pm/ p0生物医学超声实验报告 实验二 单阵元圆形超声换能器辐射声场分布特性测试与分析
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Ⅱ PVDF针式水听器（PVDF Needle Hydrophone）
水听器是把水下声压信号转换为电信号的换能器。当压电材料上的压力 (声扰动 )发生变化时，压电材料内部的电荷分布就会成比例地发生变化并且会以电压信号的形式体现出来，因此可通过压电元件表面上的电极提取这些电荷，经电压放大器或电荷放大器放大后，由信号处理示波器显示出能反映声波波形的图像,这样就以很直接的方法完成了超声声场中声压的测量。PVDF材料由于灵敏度高和声阻抗优在电声换能器得到广泛应用。
PVDF针式水听器是针形的。针式水听器由于直径很小因而可检测测量点的声压，实际上是针式水听器直径尺寸范围的平均声压；原则上针式水听器的直径越小越好，至少小于声场的1个波长，如15MHz的声场，则针式水听器的直径要小于0.1mm。
Ⅲ 计算公式
1. 电压转声压公式
实验中测量到的数据是电压，由电压到声压的转换公式如下
p=Voltage_range×(U−Voltage_offset)转换效率×10(28+sensitivy)/20 (9)
上式中，p为声场中某一点所对应的声压值，单位为Pa；
U为MULTISCAN 5800系统在该点采集到的电压值，单位为V；
转换效率:单位为 v/Pa（根据使用的水听器而定，见水听器说明书）；
转换后的信号经前置放大器、辅助放大器放大倍数为28倍；
Sensitivity：5800系统内部增益，单位dB；
Voltage_range：表示每单元格内显示的电压值；
Voltage_offset：电压偏移量，单位V，
注意参数Voltage_offse、Voltage_range和Sensitivity都是5800系统的内部参数，计算的时候可从获取的头文件中得到。
2. SPTPI的计算
SPTPI为空间峰值时间峰值声强。其计算公式为：
2max[max()]SPTPStpIc (10)
其中为媒质(水)的密度，c为声速，p为该平面上任意一点的瞬时声压。
3. SPTAI的计算
SPTAI为空间峰值时间平均声强，它是扫描平面上时间平均声强的最大值：
21221max[()/()]tSPTAtSpIdtttc (11)
其中S为扫描平面，p为该平面上任意一点的瞬时声压，12,tt为积分区间，积分区间应包括生物医学超声实验报告 实验二 单阵元圆形超声换能器辐射声场分布特性测试与分析
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整数个周期。
4. -3 dB波束宽度的计算
对于每种换能器的各个测试截面，当声强分布稳定时，计算声强的-3 dB波束宽度来衡量波束的宽窄。它定义为焦平面上声强值下降到最大值的0.707倍时所对应的宽度。
三、实验仪器与材料
本次实验的实验任务：利用实验室Panamerics多扫描系统和针式水听器对不同频率单阵元换能器（聚焦和非聚焦）及线阵换能器。在横向面上，对于聚焦换能器，测试5个横向平面的声场分布，包括近场平面，焦平面以及远场平面。对于非聚焦换能器，选择的平面应涵盖从近场到远场的范围，即4个横向平面。
1.实验系统
实验系统主要由三部分组成，Panametrics多扫描系统（Model5800和多扫描机械装置）、信号接收装置（水听器、前置放大器与直流耦合）及信号显示与处理部分（PC机与处理软件）。超声诊断换能器(包括2.25 MHz聚焦换能器、2.25 MHz非聚焦换能器、5 MHz聚焦换能器、5 MHz非聚焦换能器、3.5M非聚焦换能器)测量系统具体连接方式如图3所示：
MULTISCAN
5800系统PC机可移动滑杆MULTISCAN 5800系统主机
水槽DC耦合Panametrics换能器辅助放大器水听器 前置放大器机械扫描控制MULTISCAN5800系统机械扫描装置Computer Controlled
Pulser/Receiver系统操作面板X,Y坐标显示面板
图3 实验系统图
2. 实验器材
1) 超声换能器
实验选取五种不同的换能器，如表1所示：
表 1 换能器型号及标称参数
中心频率/MHz 聚焦性能 焦距/mm 型号 编号
2.25 聚焦 38 V306 274840 生物医学超声实验报告 实验二 单阵元圆形超声换能器辐射声场分布特性测试与分析
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2.25 非聚焦 —— V306 ——
5 聚焦 100 V309 253789
5 非聚焦 —— V309
347929
3.5 非聚焦 —— —— ——
2) 水听器的基本连接电路
针式水听器及其原理图如下所示：
(a) 针式水听器外观图
(b) 针式水听器原理结构图
图4 针式水听器结构及外形
由于水听器针尖的聚偏氟乙烯薄膜非常脆弱，因此使用针式水听器时注意不能用手或任何其他物体碰水听器针尖。清洗水听器时，用蒸馏水轻轻冲洗。
通常针式水听器使用时需要配以水浸式前置放大器，DC耦合器以及水听器辅助放大器。它们分别介绍如下：
图5 针式水听器前置放大器
前置放大器（Submersible Preamplifier）的作用是放大水听器接收到的声信号。
直流耦合（DC Coupler）的作用是提供直流电压，驱动前置放大器；以及作为前置放大器和测量系统之间的声信号耦合器。
由于水听器的输出信号一般非常微弱，因此在将其输入采集和显示系统前，通常还需要经过一个水听器辅助放大器，进一步放大水听器接收到的信号。
3) Panametrics多扫描系统
实验中使用的Panametrics多扫描系统是美国泛美公司生产的高分辨率扫描系统，包括水侵槽（70 cm*70 cm*50 cm）和安装在其上的可移动XY扫描器、数据采集和运动控制仪生物医学超声实验报告 实验二 单阵元圆形超声换能器辐射声场分布特性测试与分析
超声相控阵检测技术及其应用
综 述
超声相控阵检测技术及其应用
单宝华,喻 言,欧进萍
(哈尔滨工业大学土木工程学院,哈尔滨 150090)
摘 要:简述超声相控阵检测技术的发展、原理、特点及相控阵换能器的分类。介绍国外超声
相控阵检测成像技术在焊缝和火车轮轴检测方面的应用。超声相控阵检测技术较常规超声波检
测具有高速、高效、适合复杂结构件以及能实时成像等优点,在压力容器、核电站和海洋平台结构
等工业无损检测领域具有良好的应用前景。
关键词:超声检验;相控阵;换能器;焊缝;轮轴
中图分类号:TG115.28 文献标识码:A 文章编号:100026656(2004)0520235204
ULTRASONICPHASEDARRAYINSPECTIONTECHNOLOGYANDITSAPPLICATIONS
SHANBao2hua,YUYan,OUJin2ping
(HaπerbinInstituteofTechnology,SchoolofCivilEngineering,Haπerbin150090,China)
Abstract:Thedevelopment,principleandcharacteristicsofultrasonicphasedarrayinspectiontechnologyandthe
classificationofitstransducersweresummarized.Itsapplicationstoweldandrailwaywheelandaxleinspectionweredescribed.Itwasshowedthatultrasonicphasedarrayinspectiontechnologywashighinspeed,efficiency,suitablefor
complicatedstructureandreal2timeimagingcomparedwithconventionalultrasonictechnique,andwasgoodinapplication
换能器组阵对声场指向性的影响
换能器组阵对声场指向性的影响 ５５
文章编号：１００６—１３５５（２０１０）０３－００５５－０５
换能器组阵对声场指向性的影响
林建，马建敏，庄子听
（复旦大学力学与工程科学系，上海２００４３３）
摘要：根据点声源的声场指向性函数，推导出了考虑换能器振动面积时单个超声波换能器的指向性函数和 由其组成的矩形阵列的指向性函数，研究了单个超声波换能器和其组成阵列的指向性。计算分析了阵元面积、阵 元间距及阵元数目对超声波换能器阵列指向性的影响，为高指向性噪声的控制和声武器对抗提供帮助。 关键词：声学；声场指向性；换能器阵列；指向性函数；阵元面积；阵元间距 中图分类号：０４２２．２文献标识码：Ａ ＤＯＩ编码：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—１３５５．２０１０．０３．０１５
Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ Ａｒｒａｙ ｏｎ Ｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｆｉｅｌｄｓ
ＬＩＮ Ｊｉａｎ，ＭＡ Ｊｉａｎ—ｍｉｎ，ＺＨＵＡＮＧ Ｚｉ—ｔｉｎｇ
（Ｄｅｐａ￣ｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｆｕｄａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００４３３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｏｉｎｔ ｓｏｕｒｃｅ ｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ａ ｆｉｎｉｔｅ ａｒｅａ ｕｌ—
ｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ａｒｒａｙｓ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ
ｓｉｎｇｌｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｒｒａｙｓ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ａｒｒａｙ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｒｅａ，ｉｎｔｅｒ—ｅｌｅ—
水声聚焦相控阵列及其声场特性研究
第３１卷第１９期 振动与冲击 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩＢＲＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＳＨＯＣＫ 水声聚焦相控阵列及其声场特性研究 周泽民，曾新吾 （国防科技大学光电科学与工程学院，长沙４１００７３） 摘 要：针埘超空泡鱼雷的流体动力受空泡包络形态强烈约束的特点，研究了一种用于扰乱其空化包络的水卢聚 焦相控阵列。首先讨论了水声聚焦相控阵列的设计要求，推导了凸球面相控阵换能器的声场传播公式，然后利用基十伪 逆矩阵的声场合成算法对阵列的聚焦性能进行仿真，结果显示，在相同的阵列发射面积下，采用波束宽度较大的小阵兀， 可以相对提高声焦点处的压强和扩大有效聚焦区域，而阵列孑Ｌ径对有效聚焦区域的影响较小。最后仿真研究＿ｒ多焦点控 制模式可能的应用。 关键词：水声聚焦；相控阵列；声场；超空泡 中图分类号：０４２２．２；ＴＰ３１１ 文献标识码：Ａ Ａｎ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｆｏｃｕｓｅｄ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ ａｎｄ ｉｔｓ ｓｏｕｎｄ ｆｉｅｌｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ＺＨＯＵ Ｚｅ—ｍｉｎ．ＺＥＮＧ Ｘｉｎ一 Ｍ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｏｐｔｏ—ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｆａｃｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｕｐｅｒｃａｖｉｔａｔｉｎｇ ｔｏｒｐｅｄｏｅｓ ｓｔｒｏｎｇｌｙ ｄｅｐｅｎｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｃａｖｉｔｙ ｅｎｖｅｌｏｐｅｓ，ａ ｈｉｇｈ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ￣ｃｕｓｅｄ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ ｕｓｅｄ ｔｏ ｒｅｍｏｔｅｌｙ ｄｉｓｒｕｐｔ ｔｈｉｓ ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｈｅｒｅ．Ｆｉｒｓｔｌ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ａｎ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｆｏｃｕｓｅｄ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ａｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｓｏｕｎｄ ｆｉｅｌｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒｍｕｌａ ｆｏｒ ａ ｃｏｎｖｅｘ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ—ｓｅｃｔｉｏｎ ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ ｗａｓ ｄｅｒｉｖｅｄ． Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ ｓｏｕｎｄ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ａｒｒａｙ ｗｅｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｓｅｕｄｏ—ｉｎｖｅｒｓｅ ｍｅｔｈｏｄ．Ｉｔ ｗａｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｒｒａｙｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｉｎｉｍｕｍ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｒ ｂｅａｍ ａｎｇｌｅ ｒｉｓｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｆｏｃｕｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ａｎｄ ｅｘｐａｎｄ ｔｈｅ ｖａｌｉｄ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｒｅｇｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ａｒｅａ；ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｒｒａｙ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｖａｌｉｄ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｒｅｇｉｏｎ ｉｓ ｓｍａｌｌｅｒ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｍｕｌｔｉｐｌｅ—ｆｏｃｕｓ ｐａｔｔｅｒｎ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｆｏｃｕｓｅｄ ａｃｏｕｓｔｉｃ；ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙｓ；ｓｏｕｎｄ ｆｉｅｌｄ；ｓｕｐｅｒｃａｖｉｔｉｏｎ 超空泡鱼雷可以在水中实现超高速运动，相对于 传统的鱼雷，在速度上有着极大的提高，对潜艇和水面 舰艇构成了更大的威胁。目前，美国、德国和俄罗斯等 国在从事该技术的研究或已研制成功 。同时，现 有的反鱼雷手段已不足以对抗这类高速鱼雷，于是，寻 找新的反制手段无疑是必要的。 基于超空泡技术的鱼雷，为大幅减少摩擦阻力，除 头部空化器与水接触外，只有鳍舵舵面及部分尾部与 水接触，并且其流体动力受空泡包络形态的强烈约 束 。Ｐｅｔｅｒ 提出利用强声波扰乱超空泡鱼雷的空泡 包络，减缓鱼雷的速度和改变其方向，并用实验初步验 证了方法的可行性，给出强声波在水中的空化作用影 响了超空泡航行体的运动轨迹的假想。在实际应用 中，基本构想是舰艇在一定距离外将高强度声波作用 收稿日期：２０１１—０２—２１修改稿收到日期：２０１１—１０—２０ 第一作者周泽民男，博上生，１９８６年生 通讯作者曾新吾男，教授，博ｆ：生导师，１９６３年牛 于高速运动的超空泡鱼雷，以达到干扰超空泡鱼雷的 目的。高强度声波一般是通过声波的聚焦来实现，而 反鱼雷要求能够移动聚焦焦点的位置，这只有通过水 声聚焦相控阵列来完成。但到目前为止还没有看剑火 于水声聚焦相控阵理论研究的报道。医学应用中的卡Ｈ 控阵高强度聚焦超声（ＨＩＦＵ）与水声聚焦相控阵存住 类似，相控式ＨＩＦＵ通常要求阵列具有焦点模式灵活、 栅瓣级低等声场控制特性ｌ５ Ｊ，并一般采用凹曲面阵列 来提高声强增益 。水声聚焦相控阵，由于应用背景 不同，设计方案和关注参数将存在一定差别 本义的 目的是建立水声聚焦相控阵的基本模型，基于有限尺 度的凸球面相控阵列，实现住较大扫描范 产 能敛 强空化的声焦点。严格来说，本文涉及的声场汁算应 利用非线性声学理论来研究，但限于水声聚焦相控阵 列非线性声场的复杂性，该工作尚在进行巾。在这 ， 本文利用线性声学方法，重点研究了阵列的 效聚焦 区域，定义为阵列能成功对抗超空泡鱼雷的焦点移动 区域，
HIFU换能器声场检测系统的设计与实现
第３ ２卷第１期
２０１ ０年２月 压电与声光
ＰＩＥＺＯＥｌ ＥＣＴＲＩＣＳ＆ ＡＣＯＵＳＴＯＯＰＴＩＣＳ ＶｏＩ．３２ ＮＯ．１
Ｆｅｈ．２（１１０
文章编号：１００４—２，１７４ｆ２０１０）０１—０１ ６５—０４
ＨＩＦＵ换能器声场检测系统的设计与实现
董 琦，林 涛
（重庆医科大学生物医学工程系、重庆市生物医学工程学重点实验室． 重庆市超声医学工程重点实验室一省部共建国家重点实验室培育基地、重庆４０００１６） 摘 要：主要研究了高强度聚焦声场及其检测装置。首先从理论角度分析了高强度聚焦超声（ＨＩＦＵ）换能器 的声场特性，然后在Ｍａｔ［ａｂ软件中，对小振幅条件下的聚焦声场作了计算机仿真。最后理论结合实践，设计并实 现丁一套具有实用价值的、基于计算机采集与控制的聚焦声场三维自动检测系统．并介绍了相关软、硬件的实现过 程。 关键词：高强度聚焦超声：高强度聚焦超声（ＨＩＦＵ）；声场检测系统；计算机模拟；计算机控制 中图分类号：ＴＮ６５；ＴＰ２１６ 文献标识码：Ａ
Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ
ＨＩＦＵ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ
ＤｏＮＧ Ｑｉ，ＬＩＮ Ｔａｏ （Ｄｅｐｔ．ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ；Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｍｅｄｉｃａｌ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ；Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂ．ｏｆ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｍｅｄｉｃａｌ ＣＯ—ｆｏｕｎｄｅｄ ｂｙ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ａｎｄ Ｍ（）ＳＴ．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ｔＯ００１６．Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｉｍｅｄ ａｔ ｈｉｇｈ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｆｏｃｕｓｅｄ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ（ＨＩＦＵ）ａｎｄ ｉｔｓ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ．Ｆｉｒｓｔｌｙ ｔｈｅ ａ— ｃｏｕｓｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＨＩＦＵ ｆｒｏｍ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｗｉｔｈ ｍａｔｌａｂ ｕｎｄｅｒ ｓｍａｌｌ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｗａｓ ｍａｄｅ，ｆｉｎａｌｌｙ ａ ｓｅｔ ｏｆ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｆｉｌｅｄ ３Ｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｈｅ ｒｅ— ａｌｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ ｒｅｌａｔｅｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｗａｓ ａｌｓｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｆｏｃｕｓｅｄ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ；ＨＩＦＵ；ａｃｏｕｓｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｔｏｍ— ｐｕｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ
换能器知识点
概念题：
1． 换能器：能够发射或接收声波，并完成声波所携带的信息和能量与电的信息和能量装换的装置，就称为电声换能器，简称换能器。
2． 等效电路法：将换能器看为做机械振动的弹性体，依据波动理论可以得到它的机械振动方程，根据电路的规律可以得到电路状态方程，根据压电方程和机电类比可以建立换能器的机电等效图，换能器的工作特性和参数就可以通过机电等效图来求得。（优点：物理意义明确，缺点：通常是一维分析，适用于简单结构）
3． 有限元法：是以变分原理和剖分插值原理为基础，将待分析模型想象的划分成一系列单元，构造单元插值函数，将单元内部点的状态用单元节点状态的差值函数来近似描述。这样就将实际的物理问题转化成求解单元节点状态的代数方程组问题。（优点：分析任意结构的换能器；结果直观准确；工作状态仿真；应用广泛）
4． 居里点：压电陶瓷的性能随温度变化，温度超过某一温度时压电性能会完全消失。
5． 自发形变：在压电陶瓷的晶格结构中，晶胞的大小形状与温度相关，t>Tc(居里温度)，立方晶胞；t
6． 自发极化：在居里温度Tc以下，晶胞发生自发形变的同时，又自发产生电矩，电矩的方向是沿着边长增大的方向，就是自发极化。
7． 电畴：在发生自发极化时，晶体内会出现一些小区域，每个区域内部的晶胞极化方向相同，相邻的区域极化方向不同，这种自发极化方向一致的区域成为电畴。
8． 极化强度：单位体积内电矩的矢量和。
9． 去极化状态：压电陶瓷内部包含许多电畴，极化方向杂乱无章，沿空间各方向均匀分布，因此电矩的矢量和为零，即极化强度为零，这种状态被称作去极化状态。
10． 极化系数x：极化强度P与电场强度E之间的比值，是一个表征材料介电性能的物理量。
11． 介电系数ε：介电系数是电位移D与电场强度E的比值。
12． 倒介电系数：电场强度E与电位移D的比值。
13． 正压电效应：压电陶瓷在受到外力作用时，除产生形变和内部产生应力外，还会产生极化强度和电位移，而且产生的极化强度和点位移与应变和应力成正比。
无损检测新技术-超声波相控阵检测技术简介
无损检测新技术-超声波相控阵检测技术简介
夏纪真
无损检测资讯网
广州市番禺区南村镇恒生花园14梯701 邮编：511442
摘要：本文简单介绍了超声波相控阵检测技术的基本原理、应用与局限性
关键词：无损检测 超声检测 相控阵 1 超声波相控阵检测技术的基本原理
超声波相控阵检测技术是一种新型的特殊超声波检测技术，类似相控阵雷达、声纳和其
他波动物理学应用，依据惠更斯（Huyghens-Fresnel）原理：波动场的任何一个波阵面等同
于一个次级波源；次级波场可以通过该波阵面上各点产生的球面子波叠加干涉计算得到。
并显示保真的（或几何校正的）回波图像，所生成材料内部结构的图像类似于医用超声
波图像。
常规的超声波检测技术通常采用一个压电晶片来产生超声波，一个压电晶片只能产生一
个固定的声束，其波束的传递是预先设计选定的，并且不能变更。
超声波相控阵检测技术的关键是采用了全新的发生与接收超声波的方法，采用许多精密
复杂的、极小尺寸的、相互独立的压电晶片阵列（例如36、64甚至多达128个晶片组装在
一个探头壳体内）来产生和接收超声波束，通过功能强大的软件和电子方法控制压电晶片阵
列各个激发高频脉冲的相位和时序，使其在被检测材料中产生相互干涉叠加产生可控制形状
的超声场，从而得到预先希望的波阵面、波束入射角度和焦点位置。因此，超声波相控阵检
测技术实质上是利用相位可控的换能器阵列来实现的。超声波相控阵激发的超声波进入材料
后，仍然遵循超声波在材料中的传播规律。因此，对于常规超声波检测应用的频率、聚焦的
焦点尺寸、聚焦长度、入射角、回波幅度与定位等等，超声波相控阵也是同样应用的。
超声波相控阵探头的每个压电晶片都可以独立接受信号控制（脉冲和时间变化），通过
软件控制，在不同的时间内相继激发阵列探头中的各个单元，由于激发顺序不同，各个晶片
激发的波有先后，这些波的叠加形成新的波前，因此可以将超声波的波前聚焦并控制到一个
基于相控技术的钢板电磁超声检测方法
基于相控技术的钢板电磁超声检测方法
杨理践;刘珂丞;高松巍;邢燕好
【摘 要】In order to improve the electromagnetic ultrasonic echo signal in
the steel plate,an electromagnetic ultrasonic detection method for steel
plate based on phase control technique was proposed.The phase control
focusing technique and the transduction mechanism of electromagnetic
ultrasonic transducer in steel plate were studied,and the excitation
transducer array was composed of multi array elements.With the time
delay rule,the equiphase superposition of ultrasonic was achieved in the
target area,and the ultrasonic focusing was realized.In addition,the
experimental verification was carried out on Q235 steel plate with the
discrete structure.The results show that the proposed method can
effectively compensate the phase deviation caused by the sound path
difference between exciting and receiving transducers.When the excitation
医用超声探头浅析
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医用超声探头浅析
概 论
超声探头是医用超声仪器的心脏。不管何种超声诊断仪 ,A 型、B 型、或M 型,其探头
结构大致相同,主要都是由换能器（压电材料，又称压电晶体、压电振子）组成，并将换能
器安放在由塑胶包裹的探头腔中。
以A超探头为例说明探头的基本结构：
① 压电晶片/换能器，作用主要是在
发射时将电信号转换成超声波，在接收时将
超声波转换成电信号。
② 吸声背块，作用是吸收晶体背向
辐射的超声，减少或消除晶体两端之间超声
的多次反射造成的干扰；增大晶片阻尼，使
发射脉冲窄，从而提高分辨率。
③ 匹配层，主要作用是使晶体辐射
的超声有效进入人体，实现对人体组织的检
查。换能器和人体之间声阻抗匹配。
④ 电极、导线，用于传到电信号。
⑤ 声隔离层，位于壳体与振动体之
间声，防止超声传至外壳引起反射产生干扰。
⑥ 保护层和外壳，主要用于保护仪器。
压电晶体利用了正向压电效应和逆向压电效应来完成声--电的转换。医用压电材料种
类繁多，如压电单晶体（石英、酒石酸钾钠、磷酸二氢铵、铌酸钾、硫酸锂等）、
压电多晶体（钛酸钡、偏铌酸铅、锆钛酸铅、铌镁-锆-钛酸铅等）、压电高分子聚合物（聚
偏二氟乙烯等）、复合压电材料（聚偏二氟乙烯+锆钛酸铅复合（PVDF+PZT）等）。
各类压电材料特性不尽相同，但是都能满足特定的需求，在医用超声仪器中应用广泛。
由于压电材料的特性千差万别，导致超声探头的参数、特性也差异很大。对于不同的医
用场合，要选用不同的探头完成操作。因此，对超声探头的参数、特性的研究显得极为重要。
本文结合具体应用场合和具体机型，来说明医用超声仪器探头特性参数的选取。
图0-1，医用超声探头结构 愈欣赏愈懂欣赏 /my151and
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一、 医用超声探头的分类
超声探头的性能优劣，直接影响了成像的质量。超声探头通常是从以下几个方面进行分
一种纵振换能器实现束控的方法研究
２０１ ２年第３期 声学与电子工程 总第１０７期
一种纵振换能器实现束控的方法研究
郑震宇
（第七一五研究所声纳技术重点实验室，杭州，３１ ００１２）
摘要以纵振模式中高频压电换能器有效工作面形状、面积为变量，研究其收发指向性随工作面积权加
权的变化规律。参考浅海多波束声呐接收阵元设计要求，用ＳＹＳＮＯＩＳＥ软件仿真计算了几种不同工作面形状
换能器的接收指向性图，选用一种接收阵元的仿真参数制作了换能器实物，样品测试与仿真结果较一致。
关键词换能器；指向性；束控
控制换能器和声基阵波束图（指向性函数）有
多种方法，如，阵元幅度加权、阵元布置位置控制、
多个阵元的电气串并联组合、数字处理中的数字系 数乘积加权等都能实现束控的目的。但对于中高频
换能器及其基阵，特别是工作在１５０ ｋＨｚ以上的声
学构件，其物理尺度已在厘米量级，加工、安装误
差要求控制在１００ Ｌｕ１１量级，故上述几种加权束控
法对这种中高频换能器己不是最佳方法。这时采用
改变工作面形状，控制特定位置的声收发能量分 布，来实现换能器和声基阵的束控，是一种简单而
有效的方法。
１基本原理［ ］
对于任意一个声系统，其完整的指向性图都是
一个三维空间函数。换能器和基阵的指向性一般用
指向性函数来表示
… ＝ ㈩
对于发射系统，式中：Ｖ（ａ， ）为方位角 、
仰角０方向声辐射声压或介质振速，ｌＶ（ａｏ，Ｏｏ）ｌ为
主波束方向（ａｏ，Ｏｏ）最大声辐射声压或介质振速；
对于接收系统，式中：Ｖ（ａ， ）为方位角 、仰角０
方向输出的开路电压，ｌＶ（ａｏ，Ｏｏ）Ｉ为主波束方向
（ ，Ｏｏ）最大输出的开路电压。指向性因素 则
是指向性函数进一步用能量表示，如式（２）
币 ４ｇｒ２
如在一个定向平面内分析指向性因素，则式
（２）可以简化成
Ｒ ＝ ～ （３） Ｄ （０）ｓｉｎＯｄ０ 对于Ⅳ元等间隔的离散线阵，式（３）中的Ｄ（ ）
可以写成
）＝ １ Ｎ Ｈ ｌ ㈩
超身相控线阵低副瓣分析
信息技术■——一
北京理工大学陈青华 肖定国
相控聚焦阵列 具有声场控制准确、高速、灵活等 显著优点，因而越来越多地被现代超声热疗和手术系统 所采用。但耍达到较高的焦点声强，用增加阵元数目的 方式，会因相应控制电路的体积庞大、结构复杂而无法 实现。而降低副瓣的能量消耗，则是用尽可能少的阵元 和尽可能简单的控制电路来获得高强度的焦点。 副瓣，是指向性罔中…现在主瓣附近的许多小波 瓣，它是声能在控制角以外的其他方向上的“泄露”，使 阵列的指向性变坏。低副瓣是衡量超声相控阵性能的晕 要指标，要完全消除副瓣是不可能的，但我们可以通过 最小化副瓣幅度来实现声能在控制方向上的最大化。严 格的误差控制、测量与校准将是实现低副瓣并实用化的 最后保证。因此，对影响副瓣的各个因素进行分析和对 误差进行必要的补偿对实际工程有着重要的指导意义。 一、副瓣相关参数分析 对于线阵（声束在一个平面内进行考查），ｄ为晶片 间距，０ 为声束偏向角。第ｉ个副瓣的位置。 ａ 椭ｏ ｎ ｌ 副瓣峰值与主瓣的幅度比值：ｓ＝ｅ （１） （２）
为不考虑ａ的 影响时副瓣峰值和主瓣的幅度比值。其中ｓｉｎ ０＝ｓｉｎ ０．广 ，ｓｉｎ（。ｕ）在［ｏ，３ ｘ／（４Ｎｄ）］之问时，ｅ小于１； ｓｉｎ（０ ）大于［０，３ ｈ／（４Ｎｄ）］时，ｅ大下１。 总之：在Ｎ≥３时：ｄ在［０，３ ｈ／（２Ｎｓｉｎ ０ ｎ）］内时， ｄ与￡成正比，ｄ大于３ ｈ／（２Ｎｓｉｎ ０ ）时，成反比；Ｎ和 ￡成反比；ｓｉｎ（０ 。）住３ ｈ／（４Ｎｄ）内时，ａ与￡成反 比；ｓｉｎ（０ Ｉ。）大于３ ｈ／（４Ｎｄ）时，成反比；０ Ｉ 和￡成正 比
各汽车站售票记录，进站扫描检票（如是人工检票 需有部门填写）形成结算单数据，输入汽车站服务器 （模块１） 各汽车场站将结算单数据分类．统计分别将数据 传人总机构服务器 （模块２） ／ 总机构服务器 Ｉ．．． 内部职能管理部 ｝ １ ， ¨，ｆ、 ／—＼ 分立机构从总机构服 总机构收入管理Ｌｆ】心 势器接收各自数据，将回 接收到各汽牟站分支机构 程收入输入微机，根据结 传人的数据屙．进行核列及 算 议计算将结果传人总 汇总．将收入分目 结果传放 机构服务器（模块３） 总机构服务器（模块４） 图２ 部门从总机构服务器查询和下载需要数据，并进行决策 分析。 三、结算管理系统化应做好的基础工作 １艘集各职能管理部门需要的数据，为编制各模块 打下基础。 ２．客运收入结算管理系统化需要各部门的支持。客 运收入结算管理系统化是与现代企业管理相辅相成，它 涉及客运场站、车队及管理部门。因此，各部门人员都要 熟练掌握计算机的各种技能，使软件应用层面和部门的 需求一致起来。 ３．要有专门的组织机构负责实施。客运收入结算管 理系统化涉及到企业的各个方面，是一项复杂的系统Ｔ 程，需要有专门的组织机构负责实施，否则将很难完成 此项Ｔ作。 ４．注意信息安全。信息安全足不可忽视的问题，它 不仅事关企业的商业秘密，还将影响到整个企业信息 化的正常运行。因此，需要在服务器、巾间层等方面防 止病毒的侵入和黑客的攻击；设定各单位、部门的使用 权限，对涉及重大事务的数据分析、处理系统等事项， 只能在各自权限内操作；对敏感程度不同的信息还应 制定相应的加密标准等。 河南科技２００６、１上