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1、第”卷第5 期 2 加8 年1 0 月 声学技术 T k h i c n A c 0 I “t 瞄 v o l ”N o5 n 2 o c l 2 0 0 8 1 引言 一种平面圆环相控聚焦换能器阵的设计 张军，王月兵 ( # H 月，# * A M # E H R i # M3 1 0 0 1 2 ) O n ed e s i g no fa n n u l a rf o c u 鼬du h m u n dp h a s e da r r a y Z 州OJ l l n ，W A N GY u e - b l n z E H 口n 础p A m s & K h ! “ n ? H 咖3 i
2、2 ，c b m I 聚焦超声技术已被当作种无损的、有效的局 部高温肿瘤治疗新技术来研究。相控聚焦因其独特 的焦点可偏转特性，具有显著的临床应用意义近 年来已成为聚焦技术研究中的热点。本文推导了平 面圆环相控聚焦辐射声场计算方法，设计制作了一 种平面圆环相控换能器阵，并进行了声场的理论计 算和实测结果的对比，结果显示该相控阵能在中心 轴上实现良好的聚焦。 矾- 等r 4 f ，竿，卵( 2 ) 其中：p - 业班几- I p 叫“一 上式为平面圊环辐射器的声压计算公式。 建立如图2 所示的坐标轴，阵的中心对称轴为 z 轴。设等效球心在z 轴上距离阵中心月处，即焦 距为兄焦点为n 2 平面圆环相
3、控聚焦声场计算方法 通过对平面圆环阵各阵元初始相位的调制，使 得各阵元发出的声波振动相位等同于从一个凹球 面发出的声波，在空问某点实现同相叠架，即使得 各圆环阵元的声波在中心轴上的一点处同相聚焦。 目l 日i t 目 F I g ln e k e t c h 唧舳l u s 将平面活塞的声场计算方程应用到圆环上只 需将积分的上下限分目0 对应圆环的外半径和内半 径，图1 为圜环示意图。 平面活塞辐射声场计算公式为 帅，a ) - 等r 。r 竿，“卵( 1 ) 其中；f - r “一2 r 血伽芦+ ，2 。 取k 、分别表示圆环外半径和内半径，可 以得到均匀简谐振动的圆环辐射声场计算公式：
4、：= r 訾盛盈：o 8 “”“ 目2 # ”$ & # i i 目 F l E2n r d I n dd l s t n h t fe l s 对于第月个阵元，取 为圆环平均半径， t - i k( 3 ) 其中：刊为圆环外半径，。为圆环内半径。 设阵中心为参考中心，月为参考距离，要使得 第n 个阵元的波束到达0 点时的相位与阵中心到达 O 点时的相位相同，则需对第n 个阵元作时间补偿 H 蜓! ! ：!( 4 ) c 则对应的相位延迟为 A 丸- 础。 对于空间一点n 所有的圆环阵元的 郴相 同，不同的只是内外半径( 即积分的上下限) 和相 位延迟。对每一个阵元都采用圆环声压计算方法 通过
5、叠加得到总声压： 几。e “p k 一。) 第5 期张军等：一种平面圆环相控聚焦换能器阵的设计 上式为相控圆环阵在空间某点的声压计算表 达式每一个分量都带个相位因子e M ，阵元是 平面圆环形式，其分量声压p ( 一。) 采用平面 圆环辐射声场公式计算。 3 平砸圆环阵设计 经过大量仿真计算平面圆环相控聚焦换能器 阵设计成7 路，阵元分布成同心圆形式，阵元宽度 为O4 c m 阵元间隔0 2 锄抉能器阵开口半径 5 1 c m 。 目3 目H # 女# 目# i F t g3n e K dr 曲fe 1 5 换能器阵实物图如图3 所示，各路阵元参数如 表1 所示由表可得各路一致性良好，能够用于
6、声 场扫描测量，- 工作频率取 n 6 8 拙，。 1 * t # 镕m t 镕 h bln e d t e f 栅t 8 1 镕册2“ 2 镕祝*2拍 3 镕m“ 4镕6”4 21 56 5 镕鲫 6 D 1 l 6 镕6 6 93 0m 7 镕刚5 0l 7 4 理论计算与实测结果对比 r 目5 * E ”$ & w * i 女目 F 1 # 3b o ff “ d l 口1 l “d sb e n l a r e s u l tn d u r e dn s u l t 图4 和图5 ( a ) 分别为焦点定位在距离换能器表 面1 0 c 口处时，平面圆环相控聚焦换能器阵的焦平 面和中心轴
7、平面声场分布仿真示意图，由图可以看 出平面圆环相控聚焦换能器阵能够在中心轴上实 现良好的聚焦。 实测时采用一致性较好的1 4 路进行测量。经 实剽，焦点定位在4 锄1 9 锄范围时，所有焦点声 强级变化范围为k - 2 ”3 8 2 2 1 6 ，声压最大的 焦点声压峰值为肝= n j 甜砰h t 其峰值声强为 I 。：7 7 w f c 一，一 相控阵能在中心轴上不同位置实现良好聚焦 焦点声压太小、焦域尺寸及各方向的声压分布都有 一定的变化，图耐a 卜一) 分别为3 曲焦域尺寸和焦 距的仿真和实测对比币意图由圈可以看出： 实测焦距与仿真焦距基本吻合； 实测焦域尺寸和仿真焦域尺寸有着相同的变化
8、 趋势都随着焦距的增大而增大： 相控焦点不能偏移到无限远，当焦点定位在较远 距离时，其辐射声场趋向于话塞辐射。 r l L 】 参寥 5 * # R j A * 4 # 女镕H k F l I ，举b e l B t d 口r e s u l t 5 结论 经理论和实测比较，平面圆环相拉聚焦换能器 阵能够在中心轴上实现良好的聚焦，实测焦距和焦 域尺寸与仿真结果基本吻合为将来进一步研究多 路相控聚焦换能器实现三维空间聚焦偏移奠定良 好基础。 参考文赫 【1 】R a 】f 靶1 p ，。L l 啦血k 嘶胁刚u 】n 蛳d 孙a s 甜 a n t ”R tD e v e I 叩e bhT n l l s T e c mm a n d u o 啉 dD d 咖gD 咖m 口D 和1 扯d 【咄f m d o n d S p o s 删o n n c r a p e 州c U h 咖u D d ，F r ，2 嘲 【2 】R o nT h o m H e HA n 删口曲啦d 锕a yh 劬一i 咖s 时 自q 鲫岫s o u “d c “c c b r 皿a 辩- g u l d c d I h e n p y u k 咖e 丘b 咖m mm E E ，v 0 I5 3 N 0 2 ：3 3 5 - 3 4 2 0 0 6 兰A
