一种行波驻波组合式聚焦超声换能器的研究
发布时间：2021-12-11 10:34
研究背景聚焦超声换能器是HIFU（High Intensity Focused Ultrasound）治疗设备的核心部件,该部件的材料、聚焦方式、频率、形状结构以及其他性能参数都会直接影响换能器的声焦域形态,从而影响治疗精度。在以往的研究中,多是基于球面自聚焦,声透镜聚焦,多元组合式聚焦以及电子相控阵聚焦4种聚焦方式的行波聚焦超声换能器。这几种形式的聚焦超声换能器形成的-6dB声焦域尺寸较大,焦域整体为雪茄形状,通常焦域长轴大于6个波长,长轴与短轴的比值大于3,焦点能量较为分散,使得聚焦精度较低,不能有效的避免正常组织损伤。而声场中驻波的存在可以有效降低聚焦超声换能器焦域的长轴与短轴的比值,获得更小的焦域体积,使超声能量更为集中,甚至能够使焦域尺寸达到亚波长尺度。因此,本课题设计一种可以改变焦域形态,尤其是改变长轴与短轴之比的行波驻波组合式聚焦超声换能器,研究在不同结构尺寸下声场的变化规律,以此寻找换能器最佳结构参数。目的为了准确设计和优化能够改善焦域形态的聚焦超声换能器,以鼓形驻波换能器为基础,研究换能器在不同结构参数条件下声压分布以及焦域形态随之的变化规律。确定改善焦域形态,缩短长...
【文章来源】：重庆医科大学重庆市
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
聚焦声场示意图
18开口直径。凹球面的顶点为原点O，过原点O和凹球面的几何中心S的线将其作为Z轴，是换能器的声轴。垂直于Z轴的方向是径向方向，称作R轴。图1.2换能器中心截面声场计算简图，a）轴向声场，b）径向声场Fig.1.2Schematicdiagramofacousticfieldcalculationforthecentralsectionofthetransducer,a)theaxialacousticfield,b)theradialacousticfield根据建立的凹球面换能器声场的坐标系，辐射面的面元可以表示为sinrdddSθθ2=（2）其中是换能器上任意一点Q’和原点O连成的直线与中心截面的夹角，当任意一点为一个圆环时，可用2π表示。θ为换能器上任意一点Q’和球心点S的连线与Z轴的夹角，则凹球面换能器声场任意场点Q处的声压均可表示为θθρθπθθddrRevfjrPQQjkRnQQsin,220""21）（=（3）其中1θ为中心孔直径边缘点和球心点S的连线与Z轴形成的夹角，2θ为换能器开口直径边缘点和球心点S的连线与Z轴形成的夹角。在这里，由于声场中最关心的轴上的声压，所以在这里可以简化计算，视声场中点Q是在Z轴和R’轴中的任意一点，这样可以得到简化后的Q到Q’的距离QQ"R[43-44],在图1.2a）和b）分别显示。对于凹球面换能器声轴方向声场理论计算，可以假设点Q在Z轴上的坐标为
20同前可得Q点声压P的瑞利积分为：θθρπθθddRrfvjPQQjkRQQ′′=20)(20esin21（12）对于上式，通过数值积分求解，得到的是一个复数声压值，需要再取模，即可得到其压力幅值P。由式(1)、(3)可知，表面压力0P可表示为00=fvjPρ（13）式(8)（9）(12)为利用瑞利积分建立的凹球面换能器声场计算公式，可计算出换能器声场中轴上场点Q的声压。考虑到测量换能器辐射面振动速度分布函数的方法有限，根据式(9)给出归一化声压。由式(9)可知，轴上任意一场点Q处的归一化声压均可表示为geopPP,r）（θ=（14）1.2鼓形聚焦换能器声场理论计算两列沿相反方向传播的振幅相同、频率相同的行波叠加时就会形成驻波。若超声波在一个空间中来回反射，于是反射回来的波与后面传来的超声波就会发生干涉，形成稳定的驻波场，各处的振幅稳定不变，振幅为零的地方叫波节，振幅最大的地方叫波腹，相邻波腹或相邻波节之间的间距为半个波长。图1.3鼓形换能器简图，a)水平放置视图b)竖立放置视图Fig.1.3Schematicdiagramofdrumtransducer,a)horizontalplacementview,b)verticalplacementview
【参考文献】：
期刊论文
[1]双频高强度聚焦超声换能器应用研究进展[J]. 刘欢,李发琪. 声学技术. 2018(03)
[2]鼓形超声换能器的设计与仿真分析[J]. 岳帅,郭毅军,冉鹏,邓杰文,陈巧. 电子世界. 2018(05)
[3]凹球面环形换能器的声场特性[J]. 陈庆春. 齐鲁工业大学学报(自然科学版). 2016(06)
[4]球形腔聚焦换能器的非线性声场建模[J]. 耿昊,邱媛媛,章东. 声学学报. 2014(03)
[5]HIFU技术中聚焦超声换能器的研究[J]. 蔡春芳. 大众科技. 2010(10)
[6]一种改进多焦点声场模式声场设计的方法[J]. 向军,王华,曾德平,李悦新,陈伟,钟珊珊. 压电与声光. 2010(04)
[7]高强度聚焦超声换能器[J]. 付丽媛,李发琪. 生物医学工程学杂志. 2009(03)
[8]基于瑞利积分叠加法的聚焦换能器声场特性研究[J]. 程建政,周玉禄,毛彦欣,张德俊. 计算物理. 2008(04)
[9]高强度聚焦超声在医学领域中应用的新进展[J]. 姬艳红,李全禄,杨瑛,张晴,杨林枝. 中国医学物理学杂志. 2008(04)
[10]凹球壳形聚焦超声换能器的数值模拟分析[J]. 张小丽. 商洛学院学报. 2008(02)
硕士论文
[1]阵列解析式超声聚焦换能器的研制[D]. 刘兴奇.北京工业大学 2014
[2]64阵元相控换能器声压场的数值仿真研究[D]. 周文征.天津医科大学 2014
[3]自聚焦超声典型生物学效应及系统稳定性的研究[D]. Pranima Maharjan.上海交通大学 2013
本文编号：3534520
【文章来源】：重庆医科大学重庆市
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
聚焦声场示意图
18开口直径。凹球面的顶点为原点O，过原点O和凹球面的几何中心S的线将其作为Z轴，是换能器的声轴。垂直于Z轴的方向是径向方向，称作R轴。图1.2换能器中心截面声场计算简图，a）轴向声场，b）径向声场Fig.1.2Schematicdiagramofacousticfieldcalculationforthecentralsectionofthetransducer,a)theaxialacousticfield,b)theradialacousticfield根据建立的凹球面换能器声场的坐标系，辐射面的面元可以表示为sinrdddSθθ2=（2）其中是换能器上任意一点Q’和原点O连成的直线与中心截面的夹角，当任意一点为一个圆环时，可用2π表示。θ为换能器上任意一点Q’和球心点S的连线与Z轴的夹角，则凹球面换能器声场任意场点Q处的声压均可表示为θθρθπθθddrRevfjrPQQjkRnQQsin,220""21）（=（3）其中1θ为中心孔直径边缘点和球心点S的连线与Z轴形成的夹角，2θ为换能器开口直径边缘点和球心点S的连线与Z轴形成的夹角。在这里，由于声场中最关心的轴上的声压，所以在这里可以简化计算，视声场中点Q是在Z轴和R’轴中的任意一点，这样可以得到简化后的Q到Q’的距离QQ"R[43-44],在图1.2a）和b）分别显示。对于凹球面换能器声轴方向声场理论计算，可以假设点Q在Z轴上的坐标为
20同前可得Q点声压P的瑞利积分为：θθρπθθddRrfvjPQQjkRQQ′′=20)(20esin21（12）对于上式，通过数值积分求解，得到的是一个复数声压值，需要再取模，即可得到其压力幅值P。由式(1)、(3)可知，表面压力0P可表示为00=fvjPρ（13）式(8)（9）(12)为利用瑞利积分建立的凹球面换能器声场计算公式，可计算出换能器声场中轴上场点Q的声压。考虑到测量换能器辐射面振动速度分布函数的方法有限，根据式(9)给出归一化声压。由式(9)可知，轴上任意一场点Q处的归一化声压均可表示为geopPP,r）（θ=（14）1.2鼓形聚焦换能器声场理论计算两列沿相反方向传播的振幅相同、频率相同的行波叠加时就会形成驻波。若超声波在一个空间中来回反射，于是反射回来的波与后面传来的超声波就会发生干涉，形成稳定的驻波场，各处的振幅稳定不变，振幅为零的地方叫波节，振幅最大的地方叫波腹，相邻波腹或相邻波节之间的间距为半个波长。图1.3鼓形换能器简图，a)水平放置视图b)竖立放置视图Fig.1.3Schematicdiagramofdrumtransducer,a)horizontalplacementview,b)verticalplacementview
【参考文献】：
期刊论文
[1]双频高强度聚焦超声换能器应用研究进展[J]. 刘欢,李发琪. 声学技术. 2018(03)
[2]鼓形超声换能器的设计与仿真分析[J]. 岳帅,郭毅军,冉鹏,邓杰文,陈巧. 电子世界. 2018(05)
[3]凹球面环形换能器的声场特性[J]. 陈庆春. 齐鲁工业大学学报(自然科学版). 2016(06)
[4]球形腔聚焦换能器的非线性声场建模[J]. 耿昊,邱媛媛,章东. 声学学报. 2014(03)
[5]HIFU技术中聚焦超声换能器的研究[J]. 蔡春芳. 大众科技. 2010(10)
[6]一种改进多焦点声场模式声场设计的方法[J]. 向军,王华,曾德平,李悦新,陈伟,钟珊珊. 压电与声光. 2010(04)
[7]高强度聚焦超声换能器[J]. 付丽媛,李发琪. 生物医学工程学杂志. 2009(03)
[8]基于瑞利积分叠加法的聚焦换能器声场特性研究[J]. 程建政,周玉禄,毛彦欣,张德俊. 计算物理. 2008(04)
[9]高强度聚焦超声在医学领域中应用的新进展[J]. 姬艳红,李全禄,杨瑛,张晴,杨林枝. 中国医学物理学杂志. 2008(04)
[10]凹球壳形聚焦超声换能器的数值模拟分析[J]. 张小丽. 商洛学院学报. 2008(02)
硕士论文
[1]阵列解析式超声聚焦换能器的研制[D]. 刘兴奇.北京工业大学 2014
[2]64阵元相控换能器声压场的数值仿真研究[D]. 周文征.天津医科大学 2014
[3]自聚焦超声典型生物学效应及系统稳定性的研究[D]. Pranima Maharjan.上海交通大学 2013
本文编号：3534520
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