單陣元圓形超聲換能器輻射聲場(chǎng)分布特性測(cè)試與分析1

1、生物醫(yī)學(xué)超川實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)臉二單陣元?jiǎng)h形超川換能器輻射聲場(chǎng)分布待性測(cè)試與分析生物醫(yī)學(xué)超川實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)臉二單陣元?jiǎng)h形超川換能器輻射聲場(chǎng)分布待性測(cè)試與分析( 0X/mm1A861o-810-1Po0X/mm1A861o-810-1PomY/m4coxo2CT1OTo10(b)z=4Snun:oeocooX/mm864IA-68-10XAnm10108S0OD50DD5001032211色二賈:oeocooX/mm864IA-68-10XAnm10108S0OD50DD5001032211色二賈(c)z=60mm0XAnm0XAnm(d)z=80mm圖1035MHz換能器的聲場(chǎng)分布圖(a),(b),(c)

2、中的左圖為各截面處的聲強(qiáng)三維分布圖右圖為對(duì)應(yīng)的聲強(qiáng)偽彩色圖，z表示所測(cè)截而距離換能器中心的距離從聲強(qiáng)的三維圖圖8、9、10中我們可以定性的看到，水聽(tīng)器與非聚焦換能器的軸向距離Z的變化引起聲強(qiáng)的變化。對(duì)于5MHz的非聚焦換能器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果聲強(qiáng)呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律的類(lèi)似與芒刺一樣的分布圖，究其原因是由于實(shí)驗(yàn)時(shí)沒(méi)有注意到針式水聽(tīng)器針尖存在一個(gè)氣泡，導(dǎo)致出現(xiàn)很人的測(cè)量偏差,在以后的實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該引起注意。對(duì)于2.25MHz的非聚焦換能器，近場(chǎng)時(shí)(z=19.5mm和r45mm),由于相互干涉作用而使得出現(xiàn)很多的極值點(diǎn)，波束很寬，在片72mm處聲強(qiáng)才大致成中間高四周低的分布，波束變窄，最人值的存在可能與波束在聲場(chǎng)軸向某一

3、點(diǎn)上發(fā)生疊加相關(guān)，到遠(yuǎn)場(chǎng)Z=100mm后，聲強(qiáng)在截面上比較均勻的中間高于周I制的分布。在一定范閑內(nèi)，聲強(qiáng)變化不人，但隨著Z值的不斷增加，相信聲強(qiáng)將會(huì)減小，實(shí)驗(yàn)結(jié)呆由于沒(méi)有出現(xiàn)測(cè)量Z值有限所以并沒(méi)有明顯下降。對(duì)于3.5MHz的非聚焦換能器，波形變化、聲強(qiáng)與225MHz相似，波束很寬，但不像2.25MHz那樣出現(xiàn)了一個(gè)中間高四周低的情況。in聚焦與非聚焦換能器定量比較分析15MHz聚焦與非聚焦換能器聲場(chǎng)的比較表2為5MHzPanametncs聚焦和非聚焦換能器的聲場(chǎng)參數(shù)表。5MHzPanametncs聚焦換能器的標(biāo)定焦點(diǎn)位置為00mm,實(shí)驗(yàn)中分別選取了Z=50mm,Z=80mm,Z=l05mm,Z

4、=135mm,Z=162mm；5MHz非聚焦換能器分別選取了Z=465mm87mm、129mm、162mm,由于5MHz非聚焦換能器測(cè)試時(shí)水聽(tīng)器針尖有氣泡，故不作分析。結(jié)果中-3dB的X、Y向波束寬度是畫(huà)出聲強(qiáng)分布的等高線(xiàn)圖后人工讀得。表35MHzPanametncs聚焦換能器聲場(chǎng)參數(shù)表Z軸距離(mm)Ispip(W/m)Ispta(W/m)X向波束寬度(mm)Y向波束寬度(mm)5074.81460.38908058.99460.377410558.99460.40491.81.613538.0975005852.01.816224.54670.05743.62.0從上表可以數(shù)據(jù)看出，5MH

5、z聚焦換能器聲場(chǎng)分布特性與前面定性分析結(jié)呆一致，從-3dB的X、Y向波束寬度可以看出，在越靠近焦點(diǎn)處寬度越小(由于在近場(chǎng)盲區(qū)聲場(chǎng)紊亂故無(wú)法測(cè)得)，由于5MHz非聚焦換能器測(cè)量的結(jié)果不理想，不能對(duì)比分析，理想情況下聚焦換能器平面上波束很窄，聲強(qiáng)呈高斯分布，有明顯的峰值存在，而非聚焦換能器主要波束寬，峰值不像聚焦換能器那么尖銳，但二者在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的聲強(qiáng)分布都呈現(xiàn)出中河高四周低的特性，體現(xiàn)出換能器在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)分布較穩(wěn)定的特點(diǎn)，兩個(gè)換能器在遠(yuǎn)場(chǎng)的聲束都發(fā)生擴(kuò)散，波束寬度相對(duì)于焦平面都有所變大。22.25MHz聚焦與非聚焦換能器聲場(chǎng)的比較卜面給出的是2.25MHzPanameti-ics聚焦換能器和非聚焦換能器

6、的聲場(chǎng)參數(shù)，如表3,4。2.25MHzPanametncs聚焦換能器的標(biāo)定焦點(diǎn)位置為z=38mm。表42.25MHzPananetncs聚焦換能器聲場(chǎng)參數(shù)表Z軸距離(mm)Isptp(W/m2)IsPTACW/m2)X向波束寬度(mm)Y向波束寬度(mm)20326.28781.789530405.12961.74561.81840605.19351.696S1.21265991.11581.67180.808100164.26110.37721.012表52.25MHzPanametncs非聚焦換能器聲場(chǎng)參數(shù)表Z軸距離(mm)Isptp(W/m2)Ispta(W/m-)X向波束寬度(mm)Y

7、向波束寬度(mm)19.5191.78470428745173.19890422972253.2245040651.41.410014709590421122.8從圖8,9可看出，2.25MHz聚焦換能器有明顯的焦平面存在，焦平面上波束變窄，聲強(qiáng)呈高斯分布，有明顯的峰值存在，而125MHz非聚焦換能器在沖38mm處的平面波束依然比較寬，聲強(qiáng)也不呈現(xiàn)出高斯分布的特性，甚至還有一些紊亂的極值點(diǎn)出現(xiàn)。從表4,5的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也可以清楚看出在片38mm處平面上聚焦的Ism和Ispta比比非聚焦人得多，并且前者的聲強(qiáng)在近場(chǎng)、焦平面和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的差別很人，而后者變化很小，體現(xiàn)出聚焦換能器提高了焦點(diǎn)區(qū)聲強(qiáng)的作用。同

8、時(shí)對(duì)于聚焦換能器在Z=65mm處的ISFIP比Z=40mm大，-3dB處的X、Y向波束寬度要更小，更加說(shuō)明實(shí)際焦點(diǎn)更靠近65inm附近。此外二者近場(chǎng)都比較紊亂，反映了近場(chǎng)區(qū)聲波的干涉作用，但是非聚焦的2.25MHz換能器近場(chǎng)區(qū)更加紊亂。5MHz聚焦與2.25MHz聚焦換能器聲場(chǎng)的比較從圖6,7及表3,4中可以看出，兩個(gè)聚焦換能器都實(shí)現(xiàn)了聲束的聚焦作用，有明顯的焦點(diǎn)存在，但是總體225MHz聚焦換能器比5MHz聚焦換能器的焦點(diǎn)峰值要人，并且聚焦直徑要小，聚焦性能要好一些。對(duì)其原因如下：對(duì)于聲透鏡聚焦，其焦點(diǎn)直徑與焦距f、波長(zhǎng)2成正比，與換能器直徑D成反比，實(shí)驗(yàn)中使用的換能器D值一樣，計(jì)算得出理論

9、上5MHz聚焦換能器與2.25MHz聚焦換能器的焦距波長(zhǎng)乘積之比約為118,故理論上125MHz聚焦換能器在相同的實(shí)驗(yàn)條件卜的聚焦性能應(yīng)當(dāng)比5MHz聚焦換能器略好，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。但是從表2,3中計(jì)算岀的二者理論處的焦點(diǎn)直徑比值約為1.41,比理論值人，所以實(shí)驗(yàn)中2.25MHz聚焦換能器的聚焦性能比5MHz聚焦換能器也更好。差距可能是實(shí)驗(yàn)操作中的誤差造成，同時(shí)也町能是因?yàn)閾Q能器的焦點(diǎn)并非實(shí)際焦點(diǎn)，從上面的分析可以看出兩個(gè)換能器的探頭實(shí)際焦點(diǎn)與理論都有偏差。3.5MHz非聚焦與2.25MHz非聚焦換能器聲場(chǎng)的比校表63.5MHzPanametncs非聚焦換能器聲場(chǎng)參數(shù)表Z軸距離(mm)Is

10、ptp(W/m2)Ispta(W/rrT)X向波束寬度(mm)Y向波束寬度(mm)33264.29310443248231.79750440060226.58870439680226.588704501125MHz非聚焦換能器和3.5MHz非聚焦換能器的空間峰值時(shí)間平均值變化不人，波束都相對(duì)比較發(fā)散，但225MHz非聚焦換能器在中場(chǎng)出現(xiàn)尖峰，而3.5MHz非聚焦換能器則沒(méi)有。225MHz在近場(chǎng)時(shí)由于干涉的作用從而中間低四周高，到遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)卻變成中間高四周低，在近場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)的分界面處呈現(xiàn)聲強(qiáng)的中心峰值以及周I制聲壓的迅速卞降，但是3.5MHz非聚焦換能器一直是中間低四周高，只是隨著Z的增加，中間低的部分范|制越來(lái)越小。六、總結(jié)聚焦換能器(5MHz、225MHz)焦點(diǎn)區(qū)聲強(qiáng)呈尖銳的高斯分布，峰值很人，波束很窄；它們的近場(chǎng)平面由于聲波的干涉作用導(dǎo)致聲強(qiáng)分布紊亂，聲強(qiáng)值比焦點(diǎn)區(qū)??；遠(yuǎn)場(chǎng)平面聲強(qiáng)分布穩(wěn)定，但是波束比焦點(diǎn)區(qū)寬，體現(xiàn)了波束在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的發(fā)散效應(yīng)；非聚焦換能器(5MHz、2.25MHz、3.5MHz)波束整體比較發(fā)散，并且聲強(qiáng)值變化范闈不人，隨著z變化時(shí)，并不存在一個(gè)聲強(qiáng)呈尖銳高斯分布的平面，它們的近場(chǎng)依然紊亂，體現(xiàn)了聲波的干涉作用；到達(dá)遠(yuǎn)場(chǎng)后聲強(qiáng)分布開(kāi)始呈現(xiàn)穩(wěn)定化的趨勢(shì)，都存在一個(gè)近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)的分界點(diǎn)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.25MHz聚焦換能器比5MHz聚焦換能器的聚焦性能更好。(