医学超声原理-第九讲---超声换能器的声场

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,Shanghai Jiao Tong University,第九讲 超声换能器的声场特性器,与本,PPT,配套的指定教材,目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。,本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的,C,语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。,第九讲 超声换能器的声场特性,本章主要内容,一、单阵元换能器的声场,二、多阵元超声换能器的声场,三、凹型压电材料聚焦声场的数值模拟,一、单阵元换能器的声场,一、单阵元换能器的声场,（一）平面圆形换能器的超声场,1,、声源轴线上的声压分布,点状声源在空间的,声场分布表达式,一、单阵元换能器的声场,圆片上各微小元面积都可看成单一的声源。故在圆片源的轴线上对整个圆面积分，求得轴线上任一点,M,的声压：,声压振幅为：,看看公式哪里有错误？,一、单阵元换能器的声场,我们对声压振幅做一些简化：,上述简化是,如何实现的？,一、单阵元换能器的声场,从上式看出，,Pm,与,Z,成反比，当,Z,足够大时，圆形声源轴线上的声压随距离的增加而衰减的规律。,讨论：,（,1,）,ZZN,的范围内，存在若干个极大值和极小值。极大值为,2,，极小值为,0,，极大值的位置为：,与本,PPT,配套的指定教材,目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。,本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的,C,语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。,一、单阵元换能器的声场,极小值的位置为：,定义最后一个极大值位置为近场到远场的临界距离,：,轴上最后一个最大值的位置,Z,N,常被最为近场（,Fresnel,区）向远场（,Fraunhofer,区）过渡的起始点，自,Z,N,开始，声束开始扩散，扩散角为,一、单阵元换能器的声场,图,3.14,圆片换能器的,（,a),声束； （,b),轴线上的声压分布,一、单阵元换能器的声场,一、单阵元换能器的声场,2,、声束指向性,（,1,）指向性函数,Ds,。在换能器远场中，任意方向上的声压幅值,P,r,与最大方向上的声压幅值,P,0r,之比，定义为该换能器的辐射声场指向性函数，即,通过计算可得圆片振子的指向性函数为,：（可参见数学物理方法）,J1,为第一类第一阶贝塞尔函数,一、单阵元换能器的声场,（,2,）波瓣图,1,）第一旁瓣与主瓣相差约,20dB,请问声压相差多少倍？,2,）当,时，,J1,为,0,，声压幅度降为,0,，,Ds,为,0,。由下式可以估计主瓣的宽度。,图,3.15,平面圆盘换能器的远场波瓣图,一、单阵元换能器的声场,几点说明,：,A),频率越高，主瓣越窄；旁瓣个数越多；,B,）圆片面积越大，主瓣越窄；,C,）,0,定义为主瓣方向锐度角；,D,）通常也用半功率点来表示主瓣的展宽角度。即声功率降到最大功率一半时（,3dB,），所对应的角度。,What is ultrasound transducer,？,Sound field of a non focusing 4MHz ultrasonic transducer with a near field length of N=67mm in water. The plot shows the sound pressure at a logarithmic db-scale,What is ultrasound transducer,？,Soundfield of a focused ultrasound transducer, f=4MHz, D=10mm (aperture), R=30mm (curvature radius), water,一、单阵元换能器的声场,（二） 矩形换能器声场（,自学,）,快速电子扫描显像仪中所使用的单元晶片大多是矩形或长方形晶片，其使用愈来愈普遍。,1,、坐标系统,图,3.16,矩形源声场的坐标系统,一、单阵元换能器的声场,2,、轴线上的声压分布图,图,3.17,源轴线上声压分布曲线,一、单阵元换能器的声场,3,、波瓣图,图,3.18,矩形换能器主瓣模型图,（,a),l,1,=l,2,;,(b,）,l,1,时，,MdB, ,13.5dB,因此对于线阵旁瓣级最小值为,13.5dB,二、多阵元超声换能器的声场,图,3.22,线列阵指向性图,表,3.4,10,个振元线阵列指向性图的参数随振元间距的变化,关于主瓣，旁瓣，栅瓣的解释,与本,PPT,配套的指定教材,目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。,本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的,C,语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。,二、多阵元超声换能器的声场,（二）相控阵换能器超声场,所谓相控换能器阵列：就是指多个换能器阵列排列成一条直线，每个阵元上所加信号的相位不同。,图,3.23,同相线阵列及力向图,二、多阵元超声换能器的声场,延时扫描：达到扇型扫描的效果,图,3.24,延时线列阵及方向图,二、多阵元超声换能器的声场,延时扫描：达到扇型扫描的效果,声程差,L= d sin,，其中,d,为相邻换能器之间的距离，,为偏转的角度。,发射延时,t= L/c =,d sin,/c,；,c,为超声波的速度。,二、多阵元超声换能器的声场,相控可以实现线形扫描，扇形扫描，电子聚焦功能。,同相线阵列，阵元数目越多，主瓣越尖锐。旁瓣受到更大抑制，幅度更小。,扫描方式：机械扫描，相控扫描,机械扫描示例，,与本,PPT,配套的指定教材,目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。,本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的,C,语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。,二、多阵元超声换能器的声场,图,6-8,各种扫描线形式,(a) Linear(,线性,), (b) curvilinear(,曲线,), (c) Trapezoidal(,梯形,), (d) sector(,扇形,) (e) radial(,辐射,),三、凹型压电材料聚焦声场的数值模拟,图4-57球面换能器声场模型示意图,其中，微元到原点距离； -声场点到原点距离；-衰减系数；k-角波数，为2f/c；c-声速；-介质密度；-振元振速；dS-微元面积。,图4-66 z=0处xy平面的声强三维分布（左：声强结果取log；右：声强结果没取log）,图4-69 y=0处xz平面的声强三维分布（左：声强结果取log；右：声强结果没取log）,与本,PPT,配套的指定教材,目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。,本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的,C,语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。,本讲思考题,1,、圆片声场的分布， 指向性函数，方向锐度角，远场与近场的临界距离？,2,、声功率的测量方法？,3,、透镜聚焦的焦距，焦斑直径等声场分布？,4,、 相控扇扫的原理。,与本,PPT,配套的指定教材,目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。,本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的,C,语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。,