单阵元圆形超声换能器辐射声场分布特性测试与分析1

实验二 单阵元圆形超声换能器辐射声场分布特性测试与分析

李武松 生基硕81 08123011

一、实验目的

1、 复习单阵元超声换能器声场分布特性的理论知识，包括单阵元圆形聚焦和非聚焦换能器。

2、 学习利用针式水听器测试换能器声场特性的原理及方法。

3、 利用实验室Panametrics 多扫描系统测量5 MHz 、3.5MHz 、2.25 MHz 、1MHz 聚焦或非

聚焦Panametircs 换能器声场分布，掌握实验过程和数据的计算机处理方法。

4、 比较同频率聚焦换能器与非聚焦换能器的声场特性；比较不同频率的聚焦换能器的声场

特性、不同频率的非聚焦换能器的声场特性，并分析声场特性随频率的变化规律；

二、数学物理原理

Ⅰ 诊断超声换能器的声场特性

超声辐射场是指超声能量分布的空间，即超声换能器所发射的超声波到达的区域，接受超声治疗与检测的区域均属于超声场的部分。 各种换能器辐射的超声场取决于换能器本身的特性、尺寸、形状等。

1. 单阵元非聚焦超声换能器的声场特性

根据声学理论，一个有限尺寸的换能器或阵的辐射声场，可以按照惠更斯原理进行分析，即将换能器或阵的有效辐射面，看作是无数点声源的组合。辐射声场中某一点的声压是辐射面上所有的点源在该点产生的声压叠加的结果，因而可以通过对整个辐射面的积分来计算，如图1所示。

图1 圆片换能器轴向辐射

对于实验所用的单源圆形平面换能器，其轴线上任意一点的声压公式为：

1

22202sin[()]sin()z p p a z z t ka π

ωλ=+-- (1)

其中，0p 为声源处起始声压；a 为圆片半径；z 为该点距离声源的距离；ω为角频率；2k π

λ

=

，

λ为波长，声压随时间作周期性变化。声压振幅：

1

22202sin[()]m p p a z z π

λ=+- (2)

当2z a >时， 2

02sin()2m a p p z

πλ= (3)

又当23a z λ>时，22

sin()22a a z z ππλλ≈，所以200m p a p S p z z

πλλ==

（2S a π=，即圆盘面积） (4) 从上式可以看出，m p 与z 成反比，即当z 足够大(2

3a z λ

>)时，圆形声源轴线上的声压

随距离的增加而衰减，如图2：

图2 圆片换能器（a ）声束（b ）轴线上声压分布

在近场有极大极小值，这是由于在靠近声源处，换能器平面边缘和平面中心辐射声波到

达轴线上某点波程差不同引起声波相互干涉的结果。最后一个极大值点位置为:

22

44N a Z λλ

-=

(5) 如果2

a λ>>，则化简为: 2

N a Z λ

=

(6)

轴上最后一个极大值的位置N z 常被作为近场和远场的分界点，自N z 开始，声束开始扩散，扩散角为2θ(θ=arcsin1.22λ/d)。

2. 单阵元凹面球壳形聚焦换能器的声场特性

在超声诊断中，为了得到较好的分辨率，将尺寸较小的不同组织正确无误的区分开来，要求超声波瓣要窄，而单阵元换能器产生的波束较宽，因而要采用聚焦的方法使波束变窄，目前常用的聚焦方法包括：声透镜聚焦、声反射镜聚焦和利用曲面换能器直接发射聚焦声束等三种方法。本次实验用的聚焦换能器采用的是第三种方法——利用曲面换能器直接发射聚焦声束。

对于单阵元聚焦球形换能器，球面半径为a ，焦距为R ，则焦平面上的声压场为：

200100(,)()cos(())a ra

p r t c jinc t r R R

πρμωϕλλ=+ (7)

其中r ，0μ是换能器表面粒子振动的幅度，002/c λπω=是超声波长，

1()jinc x x π，1()J ⋅是一阶贝塞尔柱函数。焦平面上声压幅值分布为：

2000()()a ra

p r c jinc R R

πρμλλ= (8)

Ⅱ PVDF 针式水听器（PVDF Needle Hydrophone ）

水听器是把水下声压信号转换为电信号的换能器。当压电材料上的压力 (声扰动 )发生

变化时，压电材料内部的电荷分布就会成比例地发生变化并且会以电压信号的形式体现出来，因此可通过压电元件表面上的电极提取这些电荷，经电压放大器或电荷放大器放大后，由信号处理示波器显示出能反映声波波形的图像,这样就以很直接的方法完成了超声声场中声压的测量。PVDF 材料由于灵敏度高和声阻抗优在电声换能器得到广泛应用。

PVDF 针式水听器是针形的。针式水听器由于直径很小因而可检测测量点的声压，实际上是针式水听器直径尺寸范围的平均声压；原则上针式水听器的直径越小越好，至少小于声场的1个波长，如15MHz 的声场，则针式水听器的直径要小于0.1mm 。 Ⅲ 计算公式

1. 电压转声压公式

实验中测量到的数据是电压，由电压到声压的转换公式如下

p =

Voltage_range×(U−Voltage_offset )

转换效率×1028+sensitivy /20

(9)

上式中，p 为声场中某一点所对应的声压值，单位为Pa ；

U 为MULTISCAN 5800系统在该点采集到的电压值，单位为V ； 转换效率:单位为 v/Pa （根据使用的水听器而定，见水听器说明书）； 转换后的信号经前置放大器、辅助放大器放大倍数为28倍； Sensitivity ：5800系统内部增益，单位dB ；

Voltage_range ：表示每单元格内显示的电压值； Voltage_offset ：电压偏移量，单位V ， 注意参数V oltage_offse 、Voltage_range 和Sensitivity 都是5800系统的内部参数，计算的时候可从获取的头文件中得到。 2. SPTP I 的计算

SPTP I 为空间峰值时间峰值声强。其计算公式为：

2

max[max()]SPTP

S t p I c

ρ= (10) 其中ρ为媒质(水)的密度，c 为声速，p 为该平面上任意一点的瞬时声压。 3. SPTA I 的计算

SPTA I 为空间峰值时间平均声强，它是扫描平面上时间平均声强的最大值：

2

1

2

21max[(

)/()]t SPTA t S

p I dt t t c

ρ=-⎰

(11) 其中S 为扫描平面，p 为该平面上任意一点的瞬时声压，12,t t 为积分区间，积分区间应包括