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Influence of mode conversions in the skull on transcranial focused ultrasound and temperature fields utilizing the wave field separation method： A numerical study

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Chinese Physics B 2018年第2期27卷 401-414页

作者：王祥达林伟军苏畅王秀明 State Key Laboratory of Acoustics Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049 China

Transcranial focused ultrasound is a booming noninvasive therapy for brain stimuli. The Kelvin–Voigt equations are employed to calculate the sound field created by focusing a 256-element planar phased array through a monkey skull with the time-reversal method. Mode conversions between compressional and shear waves exist in the skull. Therefore, the wave field separation method is introduced to calculate the contributions of the two waves to the acoustic intensity and the heat source, respectively. The Pennes equation is used to depict the temperature field induced by ultrasound. Five computational models with the same incident angle of 0？and different distances from the focus for the skull and three computational models at different incident angles and the same distance from the focus for the skull are studied. Numerical results indicate that for all computational models, the acoustic intensity at the focus with mode conversions is 12.05%less than that without mode conversions on average. For the temperature rise, this percentage is 12.02%. Besides, an underestimation of both the acoustic intensity and the temperature rise in the skull tends to occur if mode conversions are ignored. However, if the incident angle exceeds 30？, the rules of the over-and under-estimation may be reversed. Moreover,shear waves contribute 20.54% of the acoustic intensity and 20.74% of the temperature rise in the skull on average for all computational models. The percentage of the temperature rise in the skull from shear waves declines with the increase of the duration of the ultrasound.

关键词： transcranial focused ultrasound temperature rise mode conversion wave field separation

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Axial acoustic radiation force on an elastic spherical shell near an impedance boundary for zero-order quasi-Bessel-Gauss beam

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Chinese Physics B 2021年第4期30卷 305-318页

作者： Yu-Chen Zang Wei-Jun Lin Chang Su Peng-Fei Wu Institute of Acoustics Chinese Academy of SciencesBeijing 100190China University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049China

Shell structures have increasingly widespread applications in biomedical ultrasound fields such as contrast agents and drug delivery,which requires the precise prediction of the acoustic radiation force under various circumstances to improve the system *** acoustic radiation force exerted by a zero-order quasi-Bessel-Gauss beam on an elastic spherical shell near an impedance boundary is theoretically and numerically studied in this *** means of the finite series method and the image theory,a zero-order quasi-Bessel-Gauss beam is expanded in terms of spherical harmonic functions,and the exact solution of the acoustic radiation force is derived based on the acoustic scattering *** acoustic radiation force function,which represents the radiation force per unit energy density and per unit cross-sectional surface,is especially *** simulated results for a polymethyl methacrylate shell and an aluminum shell are provided to illustrate the behavior of acoustic radiation force in this *** simulated results show the oscillatory property and the negative radiation force caused by the impedance *** appropriate relative thickness of the shell can generate sharp peaks for a polymethyl methacrylate *** radiation force can be obtained at small half-cone angles and the beam waist only affects the results at high *** that the quasi-Bessel-Gauss beam possesses both the energy focusing property and the non-diffracting advantage,this study is expected to be useful in the development of acoustic tweezers,contrast agent micro-shells,and drug delivery applications.

关键词： acoustic radiation force zero-order quasi-Bessel-Gauss beam impedance boundary elastic spherical shell

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Acoustic radiation force on a rigid cylinder near rigid corner boundaries exerted by a Gaussian beam field

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Chinese Physics B 2022年第4期31卷 373-380页

作者： Qin Chang Yuchen Zang Weijun Lin Chang Su Pengfei Wu Institute of Acoustics Chinese Academy of SciencesBeijing 100190China University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049China Beijing Deep Sea Drilling Measurement Engineering Technology Research Center Beijing 100190China

Acoustic manipulation is one of the well-known technologies of particle control and a top research in acoustic *** of acoustic radiation force on a particle nearby boundaries is one of the critical tasks,as it approximates realistic ***,it is quite difficult to solve the problem by theoretical method when the boundary conditions are *** this study,we present a finite element method numerical model for the acoustic radiation force exerting on a rigid cylindrical particle immersed in fluid near a rigid *** effects of the boundaries on acoustic radiation force of a rigid cylinder are analyzed with particular emphasis on the non-dimensional frequency and the distance from the center of cylinder to each *** results reveal that these parameters play important roles in acoustic manipulation for particle-nearby complicated rigid *** study verifies the feasibility of numerical analysis on the issue of acoustic radiation force calculation close to complex boundaries,which may provide a new idea on analyzing the acoustic particle manipulation in confined space.

关键词： acoustic radiation force finite element method Gaussian beam field acoustic manipulation

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柱面波对多层球的轴向声辐射力

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计算物理 2020年第6期37卷 700-708页

作者：臧雨宸高金彪中国科学院声学研究所北京100190 中国科学院大学北京100049

在理论和数值上研究柱面波对多层球的声辐射力.基于声波的散射理论,得到声辐射力的解析解,并给出数值仿真.结果表明:在特定的ka和kr_(0)处,柱面行波的辐射力可以是负值(k是波数,a是多层球的半径,r_(0)是多层球到声源的距离).随着kr_(0)... 详细信息

在理论和数值上研究柱面波对多层球的声辐射力.基于声波的散射理论,得到声辐射力的解析解,并给出数值仿真.结果表明:在特定的ka和kr_(0)处,柱面行波的辐射力可以是负值(k是波数,a是多层球的半径,r_(0)是多层球到声源的距离).随着kr_(0)增加到无穷大,仿真结果退化为平面波的情形.对双层球而言,每层的相对厚度影响曲线共振峰的大小和位置,但对三层球而言没有显著影响.当最内层的介质换成空气时,由于声阻抗差异较大,共振峰更加明显.该研究可以为研发新一代单行波声束声学镊子提供理论指导,该技术在生物医学超声和材料科学领域有广泛的应用.

关键词：声辐射力柱面波声散射多层球

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高斯波束对界面附近离轴球形粒子的轴向声辐射力

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计算物理 2020年第4期37卷 459-466页

作者：臧雨宸中国科学院声学研究所中国科学院大学

从声波的散射理论出发,利用级数展开法得到高斯波束的波束因子,推导其对阻抗边界下离轴球形粒子声辐射力.针对刚性球与液体球两种球形粒子进行数值模拟,与自由空间的情况进行比较.讨论边界反射系数、粒子与边界距离、束腰半径以及离轴... 详细信息

从声波的散射理论出发,利用级数展开法得到高斯波束的波束因子,推导其对阻抗边界下离轴球形粒子声辐射力.针对刚性球与液体球两种球形粒子进行数值模拟,与自由空间的情况进行比较.讨论边界反射系数、粒子与边界距离、束腰半径以及离轴角度与距离等对声辐射力的影响.仿真结果表明:边界反射系数的增大会引起声辐射力的增加,但不改变峰值的位置;在合适的频率处,可以产生负向声辐射力;声辐射力随粒子与边界距离呈周期性变化;束腰半径的影响主要体现在中高频;随着粒子偏离传播轴的距离和角度增大,声辐射力明显衰减.该研究为利用高斯波束实现对粒子的操纵提供理论基础.

关键词：声辐射力高斯波束球形粒子束腰半径

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Acoustic radiation torque on a spheroidal droplet in standing Bessel beams

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Chinese Journal of Acoustics 2021年第4期40卷 566-582页

作者： ZANG Yuchen LIN Weijun SU Chang WU Pengfei Institute of Acoustics Chinese Academy of SciencesBeijing 100190 University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049

In the actual acoustic manipulation,a droplet often takes the shape of a spheroid due to the combined effects of the acoustic radiation force,surface tension and gravitational force,which can be rotated by the torque in helicoidal sound *** on the sound scattering theory,the scattering coefficients of a spheroidal droplet in standing Bessel beams are solved using the partial-wave series expansion method,and the analytical expression of the acoustic radiation torque is also *** this basis,the results for both the incompressible and the compressible spheroidal droplets are calculated *** simulated results show that the acoustic radiation torque on the incompressible droplet is more closely related to the half-cone angle of the beam,while the torque on the compressible droplet is more dependent on specific *** growth of the beam order will increase the peaks of the acoustic radiation torque,but it is difficult to obtain an obvious radiation torque for compressible droplets at low and medium *** results of this study are expected to provide a theoretical guide for manipulating droplets using helicoidal acoustic beams.

关键词： Bessel compressible beam

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Gauss声束对离轴椭圆柱的声辐射力矩

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物理学报 2021年第8期70卷 164-176页

作者：臧雨宸林伟军苏畅吴鹏飞中国科学院声学研究所北京100190 中国科学院大学北京100049 北京市海洋深部钻探测量工程技术研究中心北京100190

利用部分波展开法求解得到了Gauss声束入射下刚性和非刚性椭圆柱的声散射系数,推导了一般情况下的声辐射力矩表达式.在此基础上,通过一系列数值仿真详细分析了离轴距离、入射角度和束腰半径对声辐射力矩的影响.结果表明:正向与负向声辐... 详细信息

利用部分波展开法求解得到了Gauss声束入射下刚性和非刚性椭圆柱的声散射系数,推导了一般情况下的声辐射力矩表达式.在此基础上,通过一系列数值仿真详细分析了离轴距离、入射角度和束腰半径对声辐射力矩的影响.结果表明:正向与负向声辐射力矩均可以在一定条件下存在;低频情况下刚性椭圆柱比非刚性椭圆柱更容易产生较强的声辐射力矩;特定频率的入射声场可以激发出非刚性椭圆柱不同阶的共振散射模式,因而非刚性椭圆柱的声辐射力矩峰值与频率的关系更密切;增加束腰半径有利于扩大散射截面,进而增加椭圆柱的声辐射力矩.该研究结果预期可以为利用声辐射力矩实现粒子的可控旋转和流体黏度的反演提供一定的理论指导.

关键词：声辐射力矩 Gauss声束椭圆柱部分波展开法声操控

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多网格谱元法及其在高性能计算中的应用

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应用声学 2018年第1期37卷 42-52页

作者：林伟军苏畅 Seriani Géza 中国科学院声学研究所北京100190 中国科学院大学北京100049 意大利国家海洋与地球物理研究所的里雅斯特34010

针对传统谱元法在每个单元内只能存在单一均匀介质,应用在复杂非均匀介质的波传播模拟中可能造成极大计算规模的问题,发展了多网格谱元法。该方法在谱元法单元内引入独立的辅助网格,用于精细描述单元内的介质和外力分布变化,在较稀疏的... 详细信息

针对传统谱元法在每个单元内只能存在单一均匀介质,应用在复杂非均匀介质的波传播模拟中可能造成极大计算规模的问题,发展了多网格谱元法。该方法在谱元法单元内引入独立的辅助网格,用于精细描述单元内的介质和外力分布变化,在较稀疏的主网格上进行波场的求解。基于声波和弹性波方程推导了多网格谱元法公式,并对几种典型模型进行了波场的数值模拟。与传统谱元法的对比结果表明,此算法在复杂非均匀介质的弹性波传播模拟中可以利用较少的网格点数达到不低于传统算法的精度。此外,实现了并行化的多网格谱元法,获得了较好的并行效率。

关键词：数值模拟谱元法多网格高性能计算

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时间反转方法用于高强度聚焦超声的焦点偏移补偿

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声学学报 2017年第3期42卷 297-304页

作者：彭哲凡林伟军苏畅张海澜王秀明中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

传统的高强度聚焦超声(HIFU)治疗中实际焦点和预设焦点容易出现偏移,为考察时间反转方法对HIFU治疗中焦点偏移的补偿效果,采用时域有限差分方法求解Westervelt方程,建立高强度聚焦声场数值模型。数值计算得到在人体软组织中进行HIFU治疗... 详细信息

传统的高强度聚焦超声(HIFU)治疗中实际焦点和预设焦点容易出现偏移,为考察时间反转方法对HIFU治疗中焦点偏移的补偿效果,采用时域有限差分方法求解Westervelt方程,建立高强度聚焦声场数值模型。数值计算得到在人体软组织中进行HIFU治疗时,采用时间反转方法后焦点偏移距离最大仅为1.6 mm。脂肪层厚度及声源强度改变对时间反转聚焦精度影响不大,F数(焦点距离同换能器孔径的比值)降低时,焦点偏移减小。研究表明在人体软组织吸收系数和非线性系数范围内,时间反转方法可有效补偿焦点偏移,达到更好的聚焦效果。

关键词：时间反转高强度聚焦超声声源强度非线性系数聚焦效果偏移距脂肪层补偿效果空间步长数值模型

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剪切波对时间反转调相的经颅聚焦超声的影响

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应用声学 2018年第3期37卷 315-323页

作者：王祥达苏畅林伟军王秀明中国科学院声学研究所北京100190 中国科学院大学北京100049 北京市海洋深部钻探测量工程技术研究中心北京100190

为研究颅骨中的剪切波对经颅聚焦超声的影响,该文利用Kelvin-Voigt固体声波方程并结合时间反转法,分别模拟了考虑剪切波和不考虑剪切波时,256-单元平面相控阵为实现超声经颅聚焦所需的相位调控,并将这两种相位调控都分别作用于考虑剪切... 详细信息

为研究颅骨中的剪切波对经颅聚焦超声的影响,该文利用Kelvin-Voigt固体声波方程并结合时间反转法,分别模拟了考虑剪切波和不考虑剪切波时,256-单元平面相控阵为实现超声经颅聚焦所需的相位调控,并将这两种相位调控都分别作用于考虑剪切波和不考虑剪切波时的聚焦情形。对这两种相位调控以及基于它们的经颅聚焦超声场的对比分析结果表明:聚焦深度较大时,剪切波对基于时间反转进行的相位调控影响较小;不过,剪切波对经颅聚焦超声场的强度分布影响较大,忽略剪切波会导致对焦域处声场聚焦强度的高估以及对颅骨附近声能量沉积的低估。

关键词：经颅聚焦超声剪切波时间反转相位调控

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