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基于空间脉冲响应理论的多边形超声换能器阵列声场计算与仿真

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基于空间脉冲响应理论的多边形超声换能器阵列声场计算与仿真

作者：曹宇宁深圳大学

学位级别：硕士

近年来,高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)组织消融因其无创性而获得广泛研究,且此项技术已获批准应用于临床治疗子宫肌瘤、前列腺癌和特发性震颤。多阵元超声换能器作为HIFU设备中的核心部件,其声场特性决定了... 详细信息

近年来,高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)组织消融因其无创性而获得广泛研究,且此项技术已获批准应用于临床治疗子宫肌瘤、前列腺癌和特发性震颤。多阵元超声换能器作为HIFU设备中的核心部件,其声场特性决定了临床治疗的精准度。因此,多阵元超声换能器的声场设计和定量分析是医学超声中一个重要的研究方向。目前成熟的国产多阵元超声换能器仿真软件仍缺乏。针对此问题,本论文展开了基于空间脉冲响应理论的多边形阵列超声换能器声场计算与仿真。不同于传统的换能器声场计算方法(比如瑞利积分法,时域差分法,角谱法等),本论文以换能器声场的空间脉冲响应理论作为算法基础,进而通过Matlab软件编程实现了圆形换能器声场计算。通过将该算法得到的圆形换能器声场与传统瑞利积分算法结果进行对比可知,两种算法计算得到的焦点声压最大值位置相差2.3%,两种方法计算的-3 d B焦域横向宽度误差为0,-6 d B焦域横向宽度误差为10%,上述数据说明论文算法的可行性。论文进一步对不同空间位置的三角形换能器阵元进行了分类和计算,进而得到了矩形换能器阵元的声场分布。已知六边形换能器阵元的球面填充率高于圆形换能器阵元,因此本论文进一步尝试通过四分法和六分法分割六边形阵元为三角形阵元进行声场仿真。仿真结果显示,四分法和六分法六边形阵元仿真结果一致,其中边长为2.5 mm的六边形阵元其声场最大值位置为6.93 mm,边长为1 cm的六边形阵元其声场最大值位置为111.65 mm。论文以边长为1 cm的六边形阵元进行球面填充,设计了单层空间排列的7阵元球面换能器,球面的曲率半径为111.65 mm。其球面填充率比圆形阵元提高了6.1%。仿真结果显示,所设计的7阵元球面换能器最大声压为2.03 MPa,得到-6 d B焦域横向面积大小为2.06mm×2.02 mm,纵向宽度为30.184 mm。再将阵元数目增加,设计了19阵元的六边形阵元球面换能器。经过声场仿真,阵列理论上能够达到的最大声压提高到5.37 MPa,阵列-6 d B焦域横向面积大小为1.24 mm×1.27 mm,及纵向长度为9.8 mm。19阵元的焦域横向尺寸和纵向长度与7阵元换能器相比显著缩短。论文通过App Designer进行换能器仿真软件界面设计,实现了多边形阵列换能器声场的仿真和可视化。文中的方法可以从单阵元推广到阵列,从规则阵元推广到不规则阵元,针对不规则的阵元,可以像有限元分割一样,将阵元分割成数个三角形进行计算,分割方式简单,对阵列设计初期声场的仿真有一定的帮助,也对后续阵列设计,换能器形状,阵列排布设计提供一定的理论支持,针对后续优化换能器设计参数有所指导。

关键词：球面阵列换能器空间脉冲响应三角形阵元六边形阵元声场可视化

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矩形超声换能器空间脉冲响应计算方法研究

仪器仪表学报 2015年第12期36卷 2641-2649页

作者：邹诚孙振国蔡栋张文增陈强清华大学机械工程系北京100084

空间脉冲响应模型是一种可以高速、精确地计算平面型超声换能器瞬态声场的方法,该方法不需要对平面型探头的表面进行离散化或近轴近似处理。首先将空间点投影到换能器平面内,将构建空间脉冲响应函数转化为计算以该投影点为圆心,与换能... 详细信息

空间脉冲响应模型是一种可以高速、精确地计算平面型超声换能器瞬态声场的方法,该方法不需要对平面型探头的表面进行离散化或近轴近似处理。首先将空间点投影到换能器平面内,将构建空间脉冲响应函数转化为计算以该投影点为圆心,与换能器相交的圆弧段的圆心角。由于矩形换能器包括4个顶点和4条边线,其几何形状与圆形换能器相比较为特殊,所以当投影点位于平面内的不同位置时,其计算方法也不相同。首先将探头所在平面进行分区,当投影点位于同一分区中时,其空间脉冲响应函数的计算方法相同;然后给出了当投影点位于各个分区中时的空间脉冲响应函数的计算过程,分析了矩形换能器尺寸的变化对分区的影响;最后,对一维超声相控阵探头的瞬态辐射声场进行了计算实验,并采用动态光弹方法对瞬态声场进行观测实验。实验结果表明,不同的换能器尺寸对计算过程及结果有显著影响,本文计算方法可以有效地实现矩形超声波探头在均匀单一介质中的瞬态声场仿真计算,有利于对平面矩形类超声换能器进行优化设计。

关键词：超声检测矩形换能器空间脉冲响应声场仿真

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基于空间脉冲响应的超声换能器声场研究

仪器仪表学报 2012年第8期33卷 1876-1881页

作者：董明马宏伟陈渊齐爱玲张旭辉西安科技大学机械工程学院西安710054 西安科技大学理学院西安710054 西安科技大学计算机科学与技术学院西安710054

以空间脉冲响应为理论基础,建立了换能器空间声压模型,通过求任意时刻相交弧长对应圆心角的方法,计算了圆形和矩形换能器的脉冲响应函数,并仿真了其声轴线平面、横截面和声轴线的声压分布,通过与理论声压对比,仿真结果可以准确地反映换... 详细信息

以空间脉冲响应为理论基础,建立了换能器空间声压模型,通过求任意时刻相交弧长对应圆心角的方法,计算了圆形和矩形换能器的脉冲响应函数,并仿真了其声轴线平面、横截面和声轴线的声压分布,通过与理论声压对比,仿真结果可以准确地反映换能器在空间辐射的声场。该方法对优化换能器设计参数和无损检测工艺、提高超声检测分辨率和可靠性有重要意义,也适用于其他形状换能器声场的计算。

关键词：空间脉冲响应换能器超声场超声检测

基于矩形换能器空间脉冲响应的相控阵声场研究

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机械工程学报 2014年第18期50卷 36-42页

作者：马宏伟董明陈渊张旭辉西安科技大学机械工程学院西安710054 西安科技大学理学院西安710054

针对矩形换能器空间脉冲响应利用分割阵元叠加和近似方法求解,提出一种精确求解的新方法。根据矩形换能器的对称性将观察点转换到第四象限进行求解,该方法不需要远场或近轴近似,只需要坐标变换就可以得到任意长宽比的矩形换能器在不同... 详细信息

针对矩形换能器空间脉冲响应利用分割阵元叠加和近似方法求解,提出一种精确求解的新方法。根据矩形换能器的对称性将观察点转换到第四象限进行求解,该方法不需要远场或近轴近似,只需要坐标变换就可以得到任意长宽比的矩形换能器在不同空间点处的脉冲响应函数。通过控制各阵元的延时实现相控阵声束的偏转和聚焦,分析一维相控阵的聚焦法则,得到各阵元的延时时间;对各矩形阵元加延时控制后的空间脉冲响应叠加求和,得到相控阵聚焦时的空间脉冲响应,进而求得各空间点的声压。计算相控阵换能器在不同聚焦角度时的空间声压分布,讨论不同阵元间距对分辨力的影响。结果表明该方法可以快速准确地计算较大偏转范围内的相控阵声场。

关键词：矩形换能器空间脉冲响应超声相控阵声场仿真

考虑超声探测器脉冲响应和方向性的光声图像重建方法

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声学学报 2023年第3期48卷 568-577页

作者：孙慧峰孙正侯英飒孙美晨华北电力大学电子与通信工程系保定071003 华北电力大学河北省电力物联网技术重点实验室保定071003

在光声成像中,假设超声探测器为具有全向响应的理想点探测器通常会导致图像分辨率下降。为了解决探测器效应引起的图像质量下降问题,提出一种考虑探测器特性的光声图像重建方法,建立包含探测器方向性和脉冲响应的前向成像模型,通过迭代... 详细信息

在光声成像中,假设超声探测器为具有全向响应的理想点探测器通常会导致图像分辨率下降。为了解决探测器效应引起的图像质量下降问题,提出一种考虑探测器特性的光声图像重建方法,建立包含探测器方向性和脉冲响应的前向成像模型,通过迭代求解前向模型的逆问题,实现光吸收能量分布图的高质量重建。仿真和仿体实验结果表明,与未考虑或未充分考虑探测器特性的传统重建方法和其他重建增强方法相比,所提方法可以显著提高图像分辨率和对比度,改善图像质量。

关键词：光声成像图像重建超声探测器特性空间脉冲响应电脉冲响应方向性

液压支架缸体环焊缝缺陷超声相控阵检测方法研究

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煤炭工程 2023年第11期55卷 154-159页

作者：董明万回回孙思雅苏成明王昕韩磊西安科技大学机械工程学院陕西西安710054 陕西省矿山机电装备智能检测与控制重点实验室陕西西安710054 西安智能再制造研究院有限公司陕西西安710018 渭南陕煤启辰科技有限公司陕西渭南714000

针对液压缸长期在重载和交变载荷下运行,极易产生各种疲劳损伤,严重时引起缸体焊缝开裂,甚至引发爆缸的问题,对液压支架缸体焊缝检测方法进行了研究。由于焊缝表面不平整,声波垂直入射耦合效果差,将换能器安装在楔块上使得声波斜入射对... 详细信息

针对液压缸长期在重载和交变载荷下运行,极易产生各种疲劳损伤,严重时引起缸体焊缝开裂,甚至引发爆缸的问题,对液压支架缸体焊缝检测方法进行了研究。由于焊缝表面不平整,声波垂直入射耦合效果差,将换能器安装在楔块上使得声波斜入射对焊缝进行检测。根据射线声学理论和Snell原理,确定超声波在楔块和工件中的传播路径,得到了楔块条件下超声相控阵延时法则计算公式。对楔块条件下单阵元空间脉冲响应进行延时叠加,得到了超声相控阵的空间声压模型,仿真得到了不同偏转角度时的声轴线声压,分析了在不同偏转角度下超声相控阵换能器辐射声场的特性。对含人工缺陷的焊缝试块进行相控阵实验,能发现不同位置的缺陷,对ZY9200/25/50D型液压支架缸体环焊缝进行现场检测,从相控阵图像上可以直接得到缺陷的位置和尺寸,通过声场仿真可为制定相控阵检测工艺参数提供指导。

关键词：液压支架超声相控阵检测声场仿真空间脉冲响应

考虑超声探测器特性的内窥式光声层析图像重建方法研究

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考虑超声探测器特性的内窥式光声层析图像重建方法研究

作者：孙慧峰华北电力大学

学位级别：硕士

内窥式光声层析成像(endoscopic photoacoustic tomography,EPAT)是检测生物腔体病变的功能成像技术。为了简化问题,在图像重建过程中通常假设超声探测器是具有全向响应的理想点探测器,不考虑其空间脉冲响应(spatial impulse response,S... 详细信息

内窥式光声层析成像(endoscopic photoacoustic tomography,EPAT)是检测生物腔体病变的功能成像技术。为了简化问题,在图像重建过程中通常假设超声探测器是具有全向响应的理想点探测器,不考虑其空间脉冲响应(spatial impulse response,SIR)和电脉冲响应(electrical impulse response,EIR)对成像质量的影响,但在实际应用中,这一理想假设会导致重建图像质量和成像精度的下降。本文的目的是研究考虑超声探测器特性的EPAT图像重建方法,提高成像质量。主要工作包括两方面:一是设计一种考虑探测器脉冲响应的图像重建方法,采用基于模型的方案,首先建立前向成像模型,描述组织由于光吸收和热弹性膨胀产生初始声压、光声信号在组织中传播以及超声换能器接收光声信号的过程,然后通过对前向模型进行迭代反演,重建腔体横截面上的光吸收能量分布图。二是设计一种考虑探测器方向性的图像重建方法,在前向成像模型的基础上,利用光声信号和探测器方向性以及脉冲响应之间的关系得到探测器输出的采样电压信号理论值,进而通过迭代优化,使采样电压理论值和测量值之间的误差最小重建腔体横截面上的光吸收能量分布图。通过计算机仿真实验和仿体实验验证方法的有效性,并与常规反投影法(back projection,BP)、时间反演法(time reversal,TR)和不同迭代优化算法比较,结果表明本文方法能有效提高图像质量。

关键词：内窥式光声层析成像图像重建空间脉冲响应电脉冲响应探测器方向性

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空气耦合超声换能器声场计算与测量研究

机械工程学报 2011年第22期47卷 19-24页

作者：孔涛徐春广张运涛许寒晖北京理工大学机械与车辆学院北京100081

利用空耦超声换能器发射孔径的空间脉冲响应计算平面换能器的声场分布特性。该方法基于线性声学理论的假设,利用孔径表面发射的球面脉冲波的叠加来获得空间中任意点的脉冲响应。由于空气介质中超声的吸收衰减对于声场分布影响较大,并且... 详细信息

利用空耦超声换能器发射孔径的空间脉冲响应计算平面换能器的声场分布特性。该方法基于线性声学理论的假设,利用孔径表面发射的球面脉冲波的叠加来获得空间中任意点的脉冲响应。由于空气介质中超声的吸收衰减对于声场分布影响较大,并且衰减随着频率的增大而增大,所以在频域计算中引入传播衰减函数,并通过与换能器激励脉冲的卷积获得该场点的声压分布。利用多轴扫描系统及微小孔径接收器空耦换能器的声场分布情况进行试验测量,并与声场的理论计算结果进行对比,两者取得很好的一致性。试验研究不同尺寸的接收孔径对声场测量结果的影响,结果表明,由于空气耦合中转换效率、界面损耗等原因,其声场测量时的接收孔径选择是分辨率和信噪比的权衡结果,在接收增益和信噪比允许的情况下尽量减小接收孔径,可以提高声场测量的精度。

关键词：空间脉冲响应空耦超声换能器声场特性

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斜楔块条件下超声换能器的声场仿真

振动与冲击 2017年第6期36卷 152-156页

作者：董明马宏伟陈渊张旭辉曹现刚西安科技大学机械工程学院西安710054 长安大学高速公路施工机械陕西省重点实验室西安710054 西安科技大学理学院西安710054

各种大型轴类零件形状复杂,体积和质量大,拆卸困难,主要用小角度纵波探头在轴端面实施探伤。小角度纵波超声检测方法在工业中有着大量的应用,对于小角度纵波探头的声场研究还较少。以空间脉冲响应为理论基础,根据界面条件下的波形转换... 详细信息

各种大型轴类零件形状复杂,体积和质量大,拆卸困难,主要用小角度纵波探头在轴端面实施探伤。小角度纵波超声检测方法在工业中有着大量的应用,对于小角度纵波探头的声场研究还较少。以空间脉冲响应为理论基础,根据界面条件下的波形转换以及超声波的透射规律,建立了小角度纵波超声探头在斜楔块条件下的空间声压模型,给出了其空间脉冲响应的计算公式,并仿真得到了不同斜楔块角度时介质中的声压分布图,利用半圆阶梯试块测试了声轴线的声压和指向性图,实验结果和仿真计算基本一致。该方法可用于不同参数的超声探头倾斜入射时的声场仿真,为制定轴类零件非拆卸情况下的检测策略,提高检测可靠性奠定基础。

关键词：空间脉冲响应斜模块小角度纵波超声检测