基于电润湿效应的动态聚焦超声液体透镜研究

发布时间：2017-06-10 15:16

  本文关键词：基于电润湿效应的动态聚焦超声液体透镜研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：超声技术自诞生以来发展迅速,在日常生活、工程测量与检测、医学诊断与治疗和科学研究与分析的各个领域都发挥了重大的作用。采用超声技术进行医学诊断和治疗是生物医学工程上的重要研究方向,基于超声的医学诊疗技术在医学研究和临床医疗方面做出了重要贡献。超声聚焦技术作为超声技术的关键,越来越多的被国内外科研人员重视。常见的超声聚焦方案目前有以下几种,磨制成特定面型的压电陶瓷超声聚焦换能器、特定规格的固体超声聚焦透镜和多元电子相控阵超声聚焦等。前两者超声聚焦方式采用的设备结构比较简单,但换能器的焦距或超声透镜焦距固定,使得这两种方式只能通过机械(电机、齿轮等)方式和更换透镜规格进行调焦,操作不便,调焦精度较差,使用效率不高,难以满足人们对于超声诊疗的需求;电子相控阵超声聚焦换能器是通过控制单独的压电陶瓷超声振元模块进行聚焦,其原理和结构复杂,故造价昂贵且不易应用。一种简单快速准确的动态超声聚焦方案成为国内外研究的重点方向。通过文献调查,液体超声透镜已经在前人的研究中被证实可行,所以本文结合首先应用于光学聚焦领域的电润湿液体透镜原理,创新性的提出了基于电润湿效应的动态聚焦超声液体透镜,并通过数学理论建模分析和软件仿真,得到了电压等相关参数对于液体透镜的调制和影响关系。本文的动态聚焦超声双液体透镜是基于电润湿效应提出的,电润湿效应即固液三相接触角可以通过外加调制电压的激励发生改变,实现液体透镜曲率半径的变化从而进行动态变焦。文中仿真了电压与液体透镜固液三相接触角、透镜曲率半径的关系,对比了不同液体介质材料、不同介电层厚度对于透镜聚焦能力的影响,并通过多物理场仿真软件对液体透镜的物理动态形变和聚焦过程进行了模拟仿真,得到了不同外加调制电压、不同液体介质相对介电常数、表面张力系数、介电层厚度、动力粘度系数以及不同液体透镜孔径对于液体透镜动态形变和聚焦过程的响应时间及最终面型的影响。文中通过对超声场基本概念和理论的分析,建立了基于电润湿效应的动态聚焦超声液体透镜的理论和物理模型,并通过软件对液体透镜后聚焦声场的分布进行了仿真计算,到了不同电压调制下的液体透镜聚焦超声场分布变化,以及不同超声发射频率、不同材料声速、不同透镜孔径对于声场分布的影响关系。最后,文章还总结了该模型的优缺点以及对未来研究的展望,包括液体材料的选择、液体密度的调配以及理论模型与实验过程可能产生误差的原因。
【关键词】：超声技术 动态聚焦 电润湿 液体透镜
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R445.1
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-15
• 1.1 研究背景与意义10-12
• 1.1.1 超声与高强度聚焦超声技术10-11
• 1.1.2 液体透镜的诞生和发展11
• 1.1.3 国外研究现状11-12
• 1.1.4 国内研究现状12
• 1.2 论文主要研究思路及方法12-13
• 1.3 文章组织结构13-15
• 第二章 超声基本理论与超声聚焦换能器15-23
• 2.1 超声基本理论15-17
• 2.1.1 声速的概念15
• 2.1.2 声压的概念15-17
• 2.1.3 声强的概念17
• 2.2 超声场的理论计算方法17-18
• 2.3 超声聚焦换能器与超声聚焦透镜18-22
• 2.3.1 球面型压电陶瓷自聚焦超声换能器19-20
• 2.3.2 超声聚焦透镜20-22
• 2.3.3 其他超声聚焦换能器22
• 2.4 本章小结22-23
• 第三章 电润湿液体透镜及其原理23-28
• 3.1 电润湿液体透镜23-24
• 3.2 电润湿效应原理24-25
• 3.3 电润湿效应原理的仿真计算25-27
• 3.3.1 外加电压对固液三相接触角的影响关系25-26
• 3.3.2 不同液体材料的相对介电常数对电润湿效应的影响26
• 3.3.3 不同液体材料的表面张力系数对电润湿效应的影响26-27
• 3.3.4 不同介电层厚度对电润湿效应的影响27
• 3.4 本章小结27-28
• 第四章 电润湿超声双液体透镜建模及仿真28-38
• 4.1 圆柱型电润湿超声双液体透镜理论建模与仿真28-33
• 4.1.1 单层圆柱型电润湿超声双液体透镜物理模型28
• 4.1.2 多层圆柱型电润湿超声双液体透镜物理模型28-29
• 4.1.3 单层圆柱型电润湿超声双液体透镜模型理论仿真29-33
• 4.2 COMSOL软件建模33-36
• 4.2.1 多物理场建模与仿真软件COMSOL Multiphysics简介33
• 4.2.2 单层圆柱型电润湿双液体透镜COMSOL Multiphysics建模与仿真33-36
• 4.3 本章小结36-38
• 第五章 液体透镜聚焦超声场的仿真计算38-50
• 5.1 单层透镜声场分布理论分析计算38-40
• 5.2 单层透镜声场的软件仿真40-42
• 5.2.1 单一电压下，，透镜声场分布的仿真40-41
• 5.2.2 不同调制电压下，透镜声场分布的仿真41-42
• 5.3 影响超声液体透镜声场分布的其他参数42-47
• 5.3.1 不同超声频率对液体透镜声场分布的影响43-44
• 5.3.2 不同透镜材料声速对液体透镜声场分布的影响44-45
• 5.3.3 不同液体透镜孔径对液体透镜声场分布的影响45-47
• 5.4 双层电润湿超声透镜仿真47-48
• 5.5 本章小结48-50
• 第六章 总结与展望50-52
• 6.1 本文研究总结50-51
• 6.2 本文研究展望51-52
• 参考文献52-54
• 在学期间研究成果54-55
• 致谢55

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本文编号：438966