1 国防科技大学气象海洋学院，湖南 长沙 410073
2 中国气象局高影响天气重点开放实验室，湖南 长沙 410073
准确获取飞秒激光成丝横截面图像及其沉积能量空间分布信息，对于成丝动力机制研究和促进诸多基于光丝的实际大气应用发展具有重要意义。本文基于热传导方程和波动方程构成的光声信号前向仿真模型，理论模拟了利用环阵式光声层析系统接收飞秒激光在空气介质中成丝诱导产生超声脉冲信号的过程；然后，利用延迟叠加算法对飞秒激光大气传输成丝沉积能量横向分布图像进行了反向重建，并分析了测量系统中关键器件超声换能器的中心频率、带宽、表面尺寸和探测表面灵敏度等性能参数对光丝沉积能量分布图像重建结果的影响。结果表明，单丝诱导产生的声压脉冲信号频谱为单峰结构，而多丝声压脉冲信号频谱为多峰结构；相比于单丝图像重建，多丝图像重建受“孔径效应”影响更显著；换能器的性能参数对光丝图像的重建效果有显著的影响，换能器的带宽越大、表面直径越小，以及表面灵敏度系数越大，越有利于光丝沉积能量分布图像重建效果的提升。该研究结果可为真实大气条件下飞秒激光传输成丝沉积能量空间分布的实验测量提供一定的理论支撑。
飞秒激光 激光成丝 能量沉积 光声信号 超声换能器 反投影 光学学报
2024, 44(12): 1201011
1 上海理工大学 健康科学与工程学院，上海 200093
2 宁波大学 物理科学与技术学院，浙江 宁波 315211
3 山东第一医科大学 附属人民医院超声科，山东 济南 271100
(K0.5Na0.5)NbO3(KNN)陶瓷作为一类重要的高性能无铅压电材料体系，有望推动医用超声成像换能器技术的无铅化。对KNN陶瓷进行有效掺杂改性研究，采用固相烧结法制备了具有优异压电性能的KNN基压电陶瓷，其压电常数达400 pC/N，机电耦合系数为55%。基于其高压电、低声阻抗的综合性能设计制备了高分辨力、大带宽及高频率的医用超声换能器，其纵向分辨率达47 μm，-6 dB带宽达93%，中心频率为18.0 MHz。利用此换能器对人体组织模型进行B模式超声成像，获得管状组织的高分辨率结构图像。结果表明，KNN体系陶瓷是一种应用于医用高频超声成像中综合性能优异的材料。
无铅压电材料 (K0.5Na0.5)NbO3基陶瓷 超声成像 超声换能器 lead-free piezoelectric material (K0.5Na0.5) NbO3-based ceramics ultrasonic imaging ultrasonic transducer
1 杭州瑞利超声科技有限公司， 浙江 杭州 310023杭州应用声学研究所，浙江 杭州 310023
2 杭州瑞利超声科技有限公司， 浙江 杭州 310023杭州应用声学研究所，浙江 杭州 310023哈尔滨工程大学 水声工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150001
3 杭州瑞利超声科技有限公司，浙江 杭州 310023杭州应用声学研究所，浙江 杭州 310023
针对空气耦合超声换能器存在换能器与空气介质阻抗失配，易造成电声转换效率低等问题，该文提出了一种采用空心酚醛树脂微球与环氧树脂基体研制的声匹配层，并对匹配层的声学特性进行测试与分析。测试结果表明，与空心玻璃微球匹配层相比，空心酚醛树脂微球匹配层具有声速更低及插入损耗更大的特点。基于此，该文研制了一种空气耦合超声换能器，对两只经匹配后的换能器进行测试，分析了接收信号的时域及频域特征，并与空心玻璃微球匹配层换能器进行性能对比。结果表明，与空心玻璃微球匹配层相比，采用空心酚醛树脂微球匹配层可减小换能器带内起伏，使换能器的-6 dB带宽扩展2倍以上，并在时域上减小接收信号的拖尾。
空气耦合超声换能器 空心酚醛树脂微球 环氧树脂基体 声学匹配层 有限元建模 air-coupled ultrasonic transducer hollow phenolic resin microspheres epoxy resin matrix acoustic matching layer finite element modeling
1 长春理工大学 机电工程学院, 吉林 长春 130012
2 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 轻量化实验室, 江苏 苏州 215123
液体产品的密度检测是审核产品品质的重要手段之一。针对当前传统密度检测装置体积大、功耗高、不易在线检测的问题, 该文设计并制作了一种基于压电微机械超声换能器(PMUT)的液体密度测量传感器。该传感器由两个PMUT(半径为500 μm, 空气中谐振频率为136 kHz)组成, 分别作为发射端与接收端。实验测试结果表明, 该传感器的谐振频率与液体密度成线性关系, 在776~1 150 kg/m3密度范围内具有良好的响应, 其灵敏度为17 Hz/kg/m3。
密度检测 压电微机械超声换能器 薄膜振动 density detection piezoelectric micromachined ultrasonic transducer thin film vibration
1 上海理工大学 健康科学与工程学院, 上海 200093
2 中国船舶集团第七一五研究所 第九研究室, 浙江 杭州 310023
3 上海交通大学 医学院附属上海市仁济医院 超声科, 上海 200025
高频医用超声成像技术因其高空间分辨率而被广泛应用于人体组织的精细结构观察, 其中高频超声换能器的核心材料是1-3型压电复合材料。采用软模板法直接烧结了锆钛酸铅(PZT)压电微柱阵列, 进而制备PZT/环氧1-3型压电复合材料, 并对其进行了微观结构观察和电学性能表征。材料微观结构完整, 机电耦合系数达到0.64。采用此复合材料制备了中心频率为20 MHz的高频超声换能器。采用脉冲回波法对换能器进行了性能和声场测试, 并利用其对人体皮肤进行了超声成像, 换能器的插入损耗、带宽分别为13.1 dB和84.2%。结果表明, 软模法制备的1-3型压电复合材料能使高频超声换能器兼具低插入损耗和大带宽, 这为高性能高频医用超声换能器提供了一种低成本、高效率的商业化制备方法。
1-3型压电复合材料 软模法 高频超声换能器 医用超声成像 1-3 piezocomposite soft-mold method high-frequency ultrasonic transducer medical ultrasonic imaging
广东工业大学 省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验室, 广东 广州 510006
与其他压电材料相比, 1-3型压电单晶复合材料具有优异的压电性能和更匹配的声学特性, 更有利于制备出性能优异的超声换能器。该文通过有限元软件COMSOL对复合材料的振动模态及阻抗特性进行了系统的研究, 同时采用皮秒激光制备了高频1-3型Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PIN-PMN-PT)铁电单晶/环氧树脂复合材料,并进行了性能表征。该1-3复合材料机电耦合系数为0.65, 声阻抗为19.96 MRayls。该复合材料可用于制备高频超声换能器, 结果表明, 换能器中心频率为17.68 MHz, -6 dB带宽为84.38%, 插入损耗为-25.4 dB。
1-3型压电复合材料 Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PIN-PMN-P 皮秒激光 超声换能器 有限元 1-3 piezoelectric composite Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PIN-PMN-P picosecond laser ultrasonic transducer finite element analysis
1 北京航空航天大学生物与医学工程学院北京市生物医学工程高精尖创新中心，北京 100083
2 解放军总医院第一医学中心激光医学科，北京 100853
换能器作为超声系统的核心部分，起着重要的作用。传统的超声换能器是电驱动器件，利用材料的压电效应实现电-声转换，然而面对应用环境的苛刻要求，其有限的带宽限制了其在高标准要求环境中的应用。光致超声作为一种新型技术，利用激光代替电作为激励源获得超声，拥有传统压电技术无法具备的特性，如高频率和大带宽，这是成像和传感所需要的。同时，光致超声技术具有较为简单的换能器构架，避免了电子元件组装的复杂性，使得各种形状的超声换能器开发成为可能，比如凹形换能器和全向换能器。光致超声技术的这些优势使其有望获得更广泛的应用。对光致超声技术进行了介绍，主要包括光声机制、换能器性能表征和该技术在生物医学领域中的最新应用，并进一步讨论了光致超声技术未来可能的发展方向。
生物光学 光声效应 超声波 光致超声换能器 高频超声 中国激光
2023, 50(21): 2107105
中北大学 省部共建动态测试技术国家重点实验室, 山西 太原 030051
由微机电系统(MEMS)工艺制作的电容式微机械超声换能器(CMUT), 其具有宽频带, 易与电子电路集成制作等优势, 在医学成像领域具有广阔的应用前景。为了研究一种密排结构CMUT超声换能器的发射声场特征, 该文提出了一种简单的物理域相互作用分析方法。基于薄板的振动理论, 由CMUT单元的声学辐射原理及特性计算得到CMUT阵元辐射声场的解析解。通过振膜振动分布实验验证了采用薄板振动理论一阶振型方程的正确性。通过仿真和实验研究了CMUT发射单元在不同排布方式和条件下的声场分布、声轴声压和指向性, 为CMUT的设计和性能分析提供了理论依据。
电容式微机械超声换能器 薄板振动 声场 声轴声压 指向性 声发射特性 CMUT thin plate vibration sound field axial sound pressure directivity acoustic emission characteristic
1 1. 上海理工大学 健康科学与工程学院, 上海 200093
2 2. 中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 200050
医用高频超声成像技术广泛应用于皮肤、眼睛及血管壁等人体组织的精细结构成像。1-3复合压电材料因具有较高的机电耦合系数而成为高频超声换能器的核心材料。传统的机械切割-填充、等离子蚀刻等1-3复合材料制备方法成本高、效率低, 难以实现工业化制备。本研究提出一种新的基于软模板的高频复合材料制备方法, 在获得高机电耦合系数的同时, 实现高性能1-3复合压电材料的低成本制备。研究采用微米孔径的软模板实现PZT粉的浆料填充, 通过热压烧结获得均匀竖立的PZT陶瓷微柱阵列, 进而制备出PZT/环氧1-3复合材料。对复合材料进行系统的机电性能测试, 并利用不同方法对复合材料的微结构及其均匀性进行表征。结果表明, 软模板法可使压电微柱具有完整的相结构和较高的成分均匀性, 能够实现较高的胚体压缩率, 提高陶瓷微柱的致密度, 同时形成了微柱阵列且微柱直径可控制在70 μm。软模板法有利于在提高复合材料超声频率(30~50 MHz)的同时获得64%的高机电耦合系数, 为医用高频超声成像以及超声生物显微镜等应用提供了一种高效的1-3复合压电材料工业化制备方法。
1-3复合压电材料 软模板法 高频超声换能器 压电陶瓷 1-3 piezoelectric composite soft mold method high frequency ultrasonic piezoelectric ceramics
1 中电科技集团重庆声光电有限公司, 重庆 401332
2 中国电子科技集团公司第二十四研究所, 重庆 400060
3 中国电子科技集团公司第二十六研究所, 重庆 400060
温度测量在航空航天、公共安全、智能制造及智能家居等方面具有重要意义。基于超声波原理的测温技术是近年来发展起来的一种新型温度测量方式, 超声波测温技术具有非接触式, 温度测量范围广, 响应速度快和测量准确度高等特点, 在航空发动机、微波干燥等领域表现出了良好性能。该文面向三维球体空间温度场测量的需求背景, 基于超声波飞行速度与介质温度相关原理, 采用收发同体式超声波换能器, 设计了针对二维圆形平面的8换能器结构和针对三维球体空间的26换能器结构, 提出了分时轮训超声波换能器接收控制策略, 建立了基于径向基函数的空间温度重构算法, 并基于Matlab平台对测温方法进行仿真。仿真结果表明, 对于构建的对角偏斜和中心对称二维圆形平面温度场模型, 以及中心对称三维球体温度场模型均具有良好的重建效果, 同时在超声飞行时间的测量中还叠加了标准差分别为0.02%、0.03%和0.05%的三类高斯白噪声, 进一步验证了该文提出的对射式超声波温度场测量方法具有较好的鲁棒性。
超声换能器 温度测量 三维 球体 高斯白噪声 ultrasonic transducer temperature measurement three dimension sphere Gaussian white noise
