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非线性对大气介质中阵列聚焦声场分布影响的研究

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物理学报 2010年第12期59卷 8662-8668页

作者：吕君赵正予张援农周晨武汉大学电子信息学院武汉430079

基于时域有限差分算法将大气中近似到二阶微小项的非线性声波波动方程进行离散化,得到了模拟采用的差分波动方程.在此基础上,数值模拟了初始声压强弱不同的5个点声源组成的线阵列垂直或斜向辐射的连续正弦波在大气中传播时二维声场的分... 详细信息

基于时域有限差分算法将大气中近似到二阶微小项的非线性声波波动方程进行离散化,得到了模拟采用的差分波动方程.在此基础上,数值模拟了初始声压强弱不同的5个点声源组成的线阵列垂直或斜向辐射的连续正弦波在大气中传播时二维声场的分布情况.将线性条件下的模拟结果与非线性条件下的模拟结果进行比较后发现:弱非线性会对声场的分布和阵列聚焦增益产生一定的影响,使声场分布波形比线性条件下的声场分布波形更加靠近阵列,聚焦效果变差;强非线性会使波形发生更严重畸变,这是由于产生了基频以外的其他频率声波引起的;非线性对斜向传播时声场分布的影响与垂直传播时的影响效果基本相同,但由于斜向辐射时的声波几何扩展造成的轴向声压衰减要大于垂直辐射时的轴向声压衰减,因此聚焦增益和强非线性的影响都将小于垂直辐射时的情况.

关键词：非线性聚焦声场时域有限差分数值模拟

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水下冲击波聚焦声场非线性建模与分析

系统仿真学报 2011年第1期23卷 61-64页

作者：李宁雷开卓黄建国滕舵李华西北工业大学航海学院西安710072

通过聚焦可大幅提高水下冲击波声场的声压级。由于水下冲击波聚焦声场声压级高、瞬时性强,因此观察和测量难度较大,对测量设备的灵敏度要求较高。概述了水下冲击波的产生及聚焦原理,利用压力传感器实测了冲击波聚焦波形,采用有限元分析... 详细信息

通过聚焦可大幅提高水下冲击波声场的声压级。由于水下冲击波聚焦声场声压级高、瞬时性强,因此观察和测量难度较大,对测量设备的灵敏度要求较高。概述了水下冲击波的产生及聚焦原理,利用压力传感器实测了冲击波聚焦波形,采用有限元分析软件ANSYS建立了水下冲击波聚焦声场的有限元模型,仿真了水下冲击波聚焦声波的非线性传播过程和声场分布,对比分析了仿真结果与压力传感器实测波形、高速摄影机实拍的冲击波聚焦声场纹影图的相符性,仿真得出水下冲击波聚焦声场峰值压力的变化规律。仿真结果与实验测量、高速摄影实拍图高度吻合,说明仿真模型的正确性及利用ANSYS研究水下冲击波聚焦声场的可行性、有效性。

关键词：水下冲击波聚焦声场有限元 ANSYS 传播规律

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聚焦声场中的多泡分布及声致发光研究

聚焦声场中的多泡分布及声致发光研究

作者：李非重庆医科大学

学位级别：硕士

研究背景高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)提供了一个可精确聚焦治疗肿瘤却没有皮肤切口的无创治疗方法。经过几十年的发展,HIFU技术已成功运用于子宫肌瘤、前列腺癌、肝癌、胰腺癌、乳腺癌等良恶性肿瘤的临床... 详细信息

研究背景高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)提供了一个可精确聚焦治疗肿瘤却没有皮肤切口的无创治疗方法。经过几十年的发展,HIFU技术已成功运用于子宫肌瘤、前列腺癌、肝癌、胰腺癌、乳腺癌等良恶性肿瘤的临床治疗。空化效应在HIFU治疗中起着非常重要的作用,一方面,由于声通道上皮肤毛孔、肠道等处含有气体,在HIFU治疗中容易生成空化泡,从而增强热损伤和空化损伤,出现治疗不期望发生的一些毒副作用;另一方面,在焦点处出现可控的空化效应可增强HIFU治疗和超声监控。因而,急需加强HIFU声场,包括焦前区、焦点和焦后区的空化研究。目的借助声致发光、被动空化检测(PCD)等手段,明确由凹球面聚焦超声换能器和两端开口的球形聚焦超声换能器在不同声功率下、不同氧容量的介质水中产生的聚焦声场中活性多泡的活动程度及空间分布信息,这对认识焦前区/焦后区的毒副作用,以及焦点处的生物学效应都具有重要的意义。方法(1)凹球面聚焦超声换能器产生的聚焦声场中的多泡分布及声致发光研究采用频率446 kHz、直径220 mm、焦距150 mm的凹球面聚焦超声换能器,声功率输出50 W-410 W。借助高速摄像系统和被动空化采集系统(Passive Cavitation Detector,PCD)分别记录不同声功率、不同氧容量下声场中气泡的空间分布及其动力学特征;搭建暗室,使用Nikon数字相机和光电倍增管系统(photomultipliertubes,pmt)分别记录不同输出声功率、不同氧容量下多泡声致发光(multibubblesonoluminescence,mbsl)的空间分布及发光强度。先固定氧容量3.0mg/l,观察不同输出声功率(50w-410w,间隔30w)下,聚焦声场中多泡空间分布、空化信号、多泡发光分布及发光强度变化;再在声功率为140w时,介质水氧容量分别为2.5mg/l、3.0mg/l、3.5mg/l下,聚焦声场中多泡空间分布、空化信号、多泡发光分布及发光强度变化。(2)球型聚焦超声换能器产生的聚焦声场中多泡分布及声致发光研究本部分采用频率446khz、直径为650mm、高度为433mm的球形聚焦超声换能器。利用数码相机拍摄不同驱动电压下,氧容量分别为3.0mg/l、4.0mg/l和4.5mg/l下,聚焦声场中的多泡分布和多泡声致发光。利用matlab图像处理功能对数码相机拍摄得到的球形聚焦声场中不同输出电压下的多泡声致发光分布图进行预处理(去除背景噪声及图像灰度的二值化处理),选择整个声场范围作为感兴趣区域,计算预处理后的二值化数字图片中发光区域的像素个数,以此作为该输出电压下的声致发光强度,统计不同氧容量介质水中多泡发光强度随输出电压变化情况。(3)焦前放入生物组织后聚焦声场中的多泡发光分布和生物组织损伤情况调整介质水氧容量为3.0mg/l,将经过脱气处理的新鲜猪腹壁组织分别置于焦前3cm、4cm和5cm处。借助nikon数码相机拍摄不同输出声功率(50w,140w,230w,320w,410w)下,焦前放入新鲜猪腹壁组织后聚焦声场中的多泡发光分布,并观察在不同hifu声功率下定点辐照30s后猪皮肤组织的损伤情况。结果(1)凹球面聚焦超声换能器产生的聚焦声场中的多泡分布及声致发光研究先固定氧容量为3.0mg/l,观察不同输出声功率(50w-410w,间隔30w)下聚焦声场中气泡分布、空化信号、声场中多泡发光空间分布及发光强度的变化。实验发现当输出声功率较低(如50w)时,由于液-气界面强反射聚焦声场是一个稳定的驻波场,气泡固定于驻波波腹处,pcd检测结果中无明显3-6mhz宽带噪声,声场中焦前区域最先出现mbsl,且多泡同样以驻波场模式分布;增大声功率(如140w),声辐射力作用逐渐凸显出来,推动本固定于波腹处的气泡向焦点方向移动,焦点处开始出现类似火花状的气泡团并向焦后生长,迅速消失,紧接着声场恢复驻波场,而气泡所散射的声信号开始出现高次谐波,宽带噪声在辐照一段时间后增幅明显,声场中发光区域逐渐向换能器表面扩大,焦点附近的发光也有所增强,在此之前声场整体发光强度与输出声功率成正比;当输出声功率足够大时(如350w),气泡团开始在焦域附近稳定剧烈持续抖动并伴随有人耳可听的“嘶嘶”声,焦域附近出现椭圆状发光亮斑,空化信号检测此时宽带噪声在辐照开始便出现并不时伴有瞬间高幅度冲击状信号,空化剧烈发生,气泡团中气泡间相互作用会阻碍气泡震荡,进而降低声场整体发光强度。在固定输出声功率为140w时,介质水氧容量分别为2.5mg/l、3.0mg/l、3.5mg/l下,观察聚焦声场中气泡的动态分布变化、多泡发光空间分布及发光强度的变化。实验结果发现,当介质水氧容量较低(如2.5mg/l)时,聚焦声场中

关键词：聚焦声场多泡声致发光气泡动力学光电倍增管

B型超声诊断仪凸面相控阵探头聚焦声场的计算

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中国生物医学工程学报 1990年第2期9卷 127-133页

作者：郎益夫蒋楠祥蔡崇成卜书中哈尔滨船舶工程学院

本文对B型超声诊断仪中已广泛使用的凸面相控阵探头的聚焦声场给出了表达式,并分别对B型超声诊断仪中经常使用的两种工作频率3.5MHz和7.5MHz的聚焦声场进行了数值计算,找出了比较理想的聚焦范围和波束宽度。数值计算同时也给出了工作... 详细信息

本文对B型超声诊断仪中已广泛使用的凸面相控阵探头的聚焦声场给出了表达式,并分别对B型超声诊断仪中经常使用的两种工作频率3.5MHz和7.5MHz的聚焦声场进行了数值计算,找出了比较理想的聚焦范围和波束宽度。数值计算同时也给出了工作频率、弧阵孔径以及阵元高度对聚焦范围和波束宽度的影响。

关键词：超声诊断仪凸面探头聚焦声场

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含微气泡水介质中聚焦声场特性研究

含微气泡水介质中聚焦声场特性研究

作者：兰庆中国计量大学

学位级别：硕士

随着超声医疗技术的发展,微气泡超声造影剂(Ultrasound Contrast Agent,UCA)已经受到了广泛地应用,将聚焦超声和微气泡结合起来产生的非线性振动及稳态空化等特性,可以实现一些重大疾病的治疗。本文将通过研究聚焦超声和微气泡之间的相... 详细信息

随着超声医疗技术的发展,微气泡超声造影剂(Ultrasound Contrast Agent,UCA)已经受到了广泛地应用,将聚焦超声和微气泡结合起来产生的非线性振动及稳态空化等特性,可以实现一些重大疾病的治疗。本文将通过研究聚焦超声和微气泡之间的相互作用,完成含UCA水介质中由气泡振动引起的散射衰减、非线性等参数修正,并分析声场和空化气泡之间的相互作用机理,最终建立聚焦声波在含微气泡水介质中的传播模型。针对本课题研究的目的和意义,主要内容如下:(1)概述了声学的理论基础。首先由简单的线性声学理论过渡到非线性声学,并重点讨论了非线性声场中的KZK方程及其两种解法(时域解法和频域解法),然后介绍了微气泡的发展,并给出实验所用UCA的作用机理,最后建立了聚焦超声与微气泡之间的相互作用模型。(2)研究了含微气泡水介质中的声场特性,首先由单个气泡的散射衰减模型推导出气泡群衰减系数解析表达式;然后修正了平面声场和聚焦声场中二阶、三阶非线性参数计算表达式,最后根据声场和微气泡的相互作用模型,模拟了气泡的运动特性。(3)测量了含UCA水介质中衰减系数随时间和频率的变化特性,并与理论模型进行了对比;然后分别使用平面活塞换能器和聚焦换能器搭配薄膜水听器对水和含UCA水介质中二阶、三阶非线性参数进行了测量,并比较了二者测量结果。(4)使用聚焦换能器和探针水听器测量了声场焦域大小,并在此基础上,测量了不同超声频率下水介质中气泡在空化前后对声场分布的影响,最后探讨了高低频超声组合与单频超声激励对气泡空化程度的影响,并对结果进行了对比和分析。本课题的研究开展对促进UCA更加安全、有效地应用于超声医学领域具有很重要的意义。

关键词：聚焦声场衰减系数非线性参数超声空化

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衰减和非线性效应对聚焦声场影响的研究

衰减和非线性效应对聚焦声场影响的研究

作者：毛彦欣中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）

学位级别：硕士

高强度聚焦超声有很多方面的应用，其中HIFU治疗作为21世纪的一项崭新的技术，由于其临床应用中的成功，越来越受到人们的关注。同时经过不断的临床实验观察，人们发现高强度聚焦超声临床应用有许多声学问题亟待解决和深入研究，高声强... 详细信息

高强度聚焦超声有很多方面的应用，其中HIFU治疗作为21世纪的一项崭新的技术，由于其临床应用中的成功，越来越受到人们的关注。同时经过不断的临床实验观察，人们发现高强度聚焦超声临床应用有许多声学问题亟待解决和深入研究，高声强下的非线性和媒质高衰减对声焦域的影响就是其中一个十分重要的问题。本文以凹球面聚焦超声换能器为例，分析了高声强引起的非线性和媒质衰减对声焦域的影响。文中采用我们提出的瑞利积分的线性叠加方法，近似描述非线性声场，并进行数值模拟。并将此算法与非线性波动方程(KZK方程)数值求解算法相比较，发现瑞利积分的线性叠加算法能够较好的描述聚焦声场中的这种非线性效应，并且求解简单，物理关系比KZK方程明朗。我们对上述数值模拟结果进行了相应的实验验证。为了验证非线性的影响，通过改变换能器的激励电压，分别测量了小振幅和有限振幅声压下，水和蓖麻油这两种具有不同衰减特性媒质中的声轴平面上声压分布。瑞利积分线性叠加算法数值模拟计算结果与测量结果的情况相一致。理论分析和实验结果均表明，随着声强和媒质衰减的增加，声焦域的几何位置沿着声轴向换能器方向有一个毫米量级的前移量;同时，声焦域的形状逐渐由对称的长椭球形变为“头胖尾细”的短椭球形。可见高声强和媒质衰减对凹球面换能器的声焦域的位置和形状均有重要影响。在HIFU设备的精确定位与剂量控制、检验标准制定、乃至临床应用中，都应予以充分考虑。

关键词：聚焦声场声焦域媒质衰减非线性

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聚焦声场中非线性声参量B/A的测量

声学技术 1997年第3期16卷 133-134页

作者：章东陈曦龚秀芬南京大学声学研究所近代声学国家重点实验室

聚焦声场中非线性声参量Ｂ／Ａ的测量章东陈曦龚秀芬（南京大学声学研究所近代声学国家重点实验室南京·２１００９３）１引言众所周知，有限振幅声波在媒质中传播时会发生一系列的非线性现象，如波形畸变、谐波滋生及声饱和等，这些非... 详细信息

聚焦声场中非线性声参量Ｂ／Ａ的测量章东陈曦龚秀芬（南京大学声学研究所近代声学国家重点实验室南京·２１００９３）１引言众所周知，有限振幅声波在媒质中传播时会发生一系列的非线性现象，如波形畸变、谐波滋生及声饱和等，这些非线性现象可以用非线性参量Ｂ／Ａ来描...

关键词：聚焦声场非线性声参量 B/A 测量

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高强聚焦声场中的非线性能量转换

声学技术 2003年第z2期22卷 57-59页

作者：陶超牟静杜功焕近代声学国家重点实验室南京大学声学研究所南京210093

　　1. 引言　　高强聚焦超声波(HIFU)具有安全的穿透生物组织而到达患处的能力,因而其在临床医学治疗癌症方面具有巨大应用潜力,近年来,已被广泛的研究[1-4].HIFU治疗癌症是利用超声波在传播过程中,由于媒质吸收,使一部分声能转化为热... 详细信息

　　1. 引言　　高强聚焦超声波(HIFU)具有安全的穿透生物组织而到达患处的能力,因而其在临床医学治疗癌症方面具有巨大应用潜力,近年来,已被广泛的研究[1-4].HIFU治疗癌症是利用超声波在传播过程中,由于媒质吸收,使一部分声能转化为热能,进而加热病患处组织、杀死病变细胞.因此,正确预测声场的分布以及声能与热能之间的转换是十分重要的.早在上个世纪八九十年代,线性声场模型已被广泛地用来估计HIFU作用下的温度场[1-2];但是近年来越来越多的工作表明,强声场作用下,非线性效应对温度场有着重要的影响[3].先期的工作只限于研究小张角换能器激发的HIFU声场,然而,实际应用中换能器的张角却通常是较大的,最近,Kamakura等人提出了一种扁球体坐标系统,并建立了扁球声束方程(spheroidal beamequation(SBE)).研究证明,由于这种坐标系统可以更好的吻合聚焦换能器的形状,因此SBE方程可以更好的预测强聚焦声场,特别是当换能器张角很大时[4].……

关键词：高强聚焦声场非线性效应聚焦换能器坐标系统治疗癌症张角温度场聚焦超声波生物组织预测实际应用声能声场作用声场模型热能临床医学方程传播过程工作表

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水下等离子体声源聚焦声场分布特性研究

电声技术 2009年第12期33卷 39-42页

作者：方明黄建国雷开卓李宁西北工业大学航海学院陕西西安710072

研究了水下等离子体声源的工作原理和聚焦原理,研制了小功率的实验装置,并进行了聚焦声场实验测量,从声轴和焦平面2个方向研究了声脉冲峰值压力与声场位置之间的关系,得出了聚焦声场的分布特性。研究结果初步验证了水下等离子体声源的... 详细信息

研究了水下等离子体声源的工作原理和聚焦原理,研制了小功率的实验装置,并进行了聚焦声场实验测量,从声轴和焦平面2个方向研究了声脉冲峰值压力与声场位置之间的关系,得出了聚焦声场的分布特性。研究结果初步验证了水下等离子体声源的优越性,为进一步改进这种声源,以将其应用于100km以上超远程水下通信系统打下良好的基础。

关键词：水下等离子体声源聚焦声场分布特性声脉冲