單陣元圓形超聲換能器輻射聲場分布特性測試與分析1

1、生物醫(yī)學(xué)超聲實驗報告 實驗二 單陣元圓形超聲換能器輻射聲場分布特性測試與分析 實驗二 單陣元圓形超聲換能器輻射聲場分布特性測試與分析李武松 生基碩81 08123011一、實驗?zāi)康?、 復(fù)習(xí)單陣元超聲換能器聲場分布特性的理論知識，包括單陣元圓形聚焦和非聚焦換能器。2、 學(xué)習(xí)利用針式水聽器測試換能器聲場特性的原理及方法。3、 利用實驗室Panametrics多掃描系統(tǒng)測量5 MHz、3.5MHz、2.25 MHz、1MHz聚焦或非聚焦Panametircs換能器聲場分布，掌握實驗過程和數(shù)據(jù)的計算機處理方法。4、 比較同頻率聚焦換能器與非聚焦換能器的聲場特性；比較不同頻率的聚焦換能器的聲場特性、不

2、同頻率的非聚焦換能器的聲場特性，并分析聲場特性隨頻率的變化規(guī)律；二、數(shù)學(xué)物理原理 診斷超聲換能器的聲場特性超聲輻射場是指超聲能量分布的空間，即超聲換能器所發(fā)射的超聲波到達的區(qū)域，接受超聲治療與檢測的區(qū)域均屬于超聲場的部分。 各種換能器輻射的超聲場取決于換能器本身的特性、尺寸、形狀等。1. 單陣元非聚焦超聲換能器的聲場特性根據(jù)聲學(xué)理論，一個有限尺寸的換能器或陣的輻射聲場，可以按照惠更斯原理進行分析，即將換能器或陣的有效輻射面，看作是無數(shù)點聲源的組合。輻射聲場中某一點的聲壓是輻射面上所有的點源在該點產(chǎn)生的聲壓疊加的結(jié)果，因而可以通過對整個輻射面的積分來計算，如圖1所示。圖1 圓片換能器軸向輻射對于

3、實驗所用的單源圓形平面換能器，其軸線上任意一點的聲壓公式為： (1)其中，為聲源處起始聲壓；為圓片半徑；為該點距離聲源的距離；為角頻率；，為波長，聲壓隨時間作周期性變化。聲壓振幅： (2)當(dāng)時， (3)又當(dāng)時，所以（，即圓盤面積） (4)從上式可以看出，與成反比，即當(dāng)足夠大()時，圓形聲源軸線上的聲壓隨距離的增加而衰減，如圖2： 圖2 圓片換能器（a）聲束（b）軸線上聲壓分布在近場有極大極小值，這是由于在靠近聲源處，換能器平面邊緣和平面中心輻射聲波到達軸線上某點波程差不同引起聲波相互干涉的結(jié)果。最后一個極大值點位置為: (5)如果，則化簡為: (6)軸上最后一個極大值的位置常被作為近場和遠場的

4、分界點，自開始，聲束開始擴散，擴散角為2(=arcsin1.22/d)。2. 單陣元凹面球殼形聚焦換能器的聲場特性在超聲診斷中，為了得到較好的分辨率，將尺寸較小的不同組織正確無誤的區(qū)分開來，要求超聲波瓣要窄，而單陣元換能器產(chǎn)生的波束較寬，因而要采用聚焦的方法使波束變窄，目前常用的聚焦方法包括：聲透鏡聚焦、聲反射鏡聚焦和利用曲面換能器直接發(fā)射聚焦聲束等三種方法。本次實驗用的聚焦換能器采用的是第三種方法利用曲面換能器直接發(fā)射聚焦聲束。對于單陣元聚焦球形換能器，球面半徑為，焦距為，則焦平面上的聲壓場為： (7)其中，是換能器表面粒子振動的幅度，是超聲波長，是一階貝塞爾柱函數(shù)。焦平面上聲壓幅值分布為：

5、 (8)PVDF針式水聽器（PVDF Needle Hydrophone）水聽器是把水下聲壓信號轉(zhuǎn)換為電信號的換能器。當(dāng)壓電材料上的壓力 (聲擾動 )發(fā)生變化時，壓電材料內(nèi)部的電荷分布就會成比例地發(fā)生變化并且會以電壓信號的形式體現(xiàn)出來，因此可通過壓電元件表面上的電極提取這些電荷，經(jīng)電壓放大器或電荷放大器放大后，由信號處理示波器顯示出能反映聲波波形的圖像,這樣就以很直接的方法完成了超聲聲場中聲壓的測量。PVDF材料由于靈敏度高和聲阻抗優(yōu)在電聲換能器得到廣泛應(yīng)用。PVDF針式水聽器是針形的。針式水聽器由于直徑很小因而可檢測測量點的聲壓，實際上是針式水聽器直徑尺寸范圍的平均聲壓；原則上針式水聽器的直

6、徑越小越好，至少小于聲場的1個波長，如15MHz的聲場，則針式水聽器的直徑要小于0.1mm。 計算公式1. 電壓轉(zhuǎn)聲壓公式實驗中測量到的數(shù)據(jù)是電壓，由電壓到聲壓的轉(zhuǎn)換公式如下p=Voltage_range×U-Voltage_offset轉(zhuǎn)換效率×1028+sensitivy/20 (9)上式中，p為聲場中某一點所對應(yīng)的聲壓值，單位為Pa；U為MULTISCAN 5800系統(tǒng)在該點采集到的電壓值，單位為V；轉(zhuǎn)換效率:單位為 v/Pa（根據(jù)使用的水聽器而定，見水聽器說明書）；轉(zhuǎn)換后的信號經(jīng)前置放大器、輔助放大器放大倍數(shù)為28倍；Sensitivity：5800系統(tǒng)內(nèi)部增益，單

7、位dB；Voltage_range：表示每單元格內(nèi)顯示的電壓值；Voltage_offset：電壓偏移量，單位V，注意參數(shù)Voltage_offse、Voltage_range和Sensitivity都是5800系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)，計算的時候可從獲取的頭文件中得到。2. 的計算為空間峰值時間峰值聲強。其計算公式為： (10)其中為媒質(zhì)(水)的密度，為聲速，為該平面上任意一點的瞬時聲壓。3. 的計算為空間峰值時間平均聲強，它是掃描平面上時間平均聲強的最大值： (11)其中為掃描平面，為該平面上任意一點的瞬時聲壓，為積分區(qū)間，積分區(qū)間應(yīng)包括整數(shù)個周期。4. -3 dB波束寬度的計算對于每種換能器的各個

8、測試截面，當(dāng)聲強分布穩(wěn)定時，計算聲強的-3 dB波束寬度來衡量波束的寬窄。它定義為焦平面上聲強值下降到最大值的0.707倍時所對應(yīng)的寬度。三、實驗儀器與材料本次實驗的實驗任務(wù)：利用實驗室Panamerics多掃描系統(tǒng)和針式水聽器對不同頻率單陣元換能器（聚焦和非聚焦）及線陣換能器。在橫向面上，對于聚焦換能器，測試5個橫向平面的聲場分布，包括近場平面，焦平面以及遠場平面。對于非聚焦換能器，選擇的平面應(yīng)涵蓋從近場到遠場的范圍，即4個橫向平面。1.實驗系統(tǒng)實驗系統(tǒng)主要由三部分組成，Panametrics多掃描系統(tǒng)（Model5800和多掃描機械裝置）、信號接收裝置（水聽器、前置放大器與直流耦合）及信號

9、顯示與處理部分（PC機與處理軟件）。超聲診斷換能器(包括2.25 MHz聚焦換能器、2.25 MHz非聚焦換能器、5 MHz聚焦換能器、5 MHz非聚焦換能器、3.5M非聚焦換能器)測量系統(tǒng)具體連接方式如圖3所示：圖3 實驗系統(tǒng)圖2. 實驗器材1) 超聲換能器實驗選取五種不同的換能器，如表1所示：表 1 換能器型號及標(biāo)稱參數(shù)中心頻率/MHz聚焦性能焦距/mm型號編號2.25聚焦38V3062748402.25非聚焦V3065聚焦100V3092537895非聚焦V3093479293.5非聚焦2) 水聽器的基本連接電路針式水聽器及其原理圖如下所示：(a) 針式水聽器外觀圖(b) 針式水聽器原理

10、結(jié)構(gòu)圖圖4 針式水聽器結(jié)構(gòu)及外形由于水聽器針尖的聚偏氟乙烯薄膜非常脆弱，因此使用針式水聽器時注意不能用手或任何其他物體碰水聽器針尖。清洗水聽器時，用蒸餾水輕輕沖洗。通常針式水聽器使用時需要配以水浸式前置放大器，DC耦合器以及水聽器輔助放大器。它們分別介紹如下：圖5 針式水聽器前置放大器前置放大器（Submersible Preamplifier）的作用是放大水聽器接收到的聲信號。直流耦合（DC Coupler）的作用是提供直流電壓，驅(qū)動前置放大器；以及作為前置放大器和測量系統(tǒng)之間的聲信號耦合器。由于水聽器的輸出信號一般非常微弱，因此在將其輸入采集和顯示系統(tǒng)前，通常還需要經(jīng)過一個水聽器輔助放大器

11、，進一步放大水聽器接收到的信號。3) Panametrics多掃描系統(tǒng)實驗中使用的Panametrics多掃描系統(tǒng)是美國泛美公司生產(chǎn)的高分辨率掃描系統(tǒng)，包括水侵槽（70 cm*70 cm*50 cm）和安裝在其上的可移動XY掃描器、數(shù)據(jù)采集和運動控制儀器、計算機控制的脈沖發(fā)射接收器5800以及相關(guān)計算機控制和分析軟件。四、實驗步驟1、5 MHz聚焦換能器聲場的測定（a）固定水聽器支架于水槽底部，將前置放大器固定于支架上，并使其垂直向上；裝好水聽器針頭，使其垂直于水槽的底面；將5 MHz聚焦換能器固定于5800系統(tǒng)機械掃描裝置的滑桿上。（b) 按照圖3進行連線，仔細檢查各個儀器是否連接正確。（c

12、) 往水槽內(nèi)注入自來水，直到離水槽邊緣處1015 cm左右處停止；上下調(diào)節(jié)換能器的高度，使換能器與針頭之間的距離大概為10 cm（因為5 MHz聚焦換能器的焦距大概為10 cm）；觀察換能器表面是否有氣泡，如果有，則用毛筆輕輕掃去；注意在清掃的過程中，千萬不能碰到水聽器針頭。（d) 打開MULTISCAN 5800系統(tǒng)的PC機；然后從上到下的順序依次打開5800系統(tǒng)主開關(guān)（白色撥動開關(guān)）、運動裝置開關(guān)（鑰匙開關(guān)）、5800系統(tǒng)X,Y坐標(biāo)控制開關(guān)（兩個綠色撥動開關(guān)），檢查各項指標(biāo)是否正常。在PC機上點擊軟件Multiscan，進入相應(yīng)的軟件處理控制系統(tǒng)。（e) 調(diào)節(jié)5800機械掃描控制系統(tǒng)的X，

13、Y坐標(biāo)，移動滑竿的位置，使滑竿上固定的換能器大致對準(zhǔn)下方的水聽器。（f) 在軟件Multiscan上通過ut setup-scope-on 進入?yún)?shù)設(shè)置界面，設(shè)置各項參數(shù)（輸入、輸出衰減、能量、PRF等），以及換能器工作模式（UT mode）；精細調(diào)節(jié)滑竿的X，Y坐標(biāo)，直到看到最大的回波信號,設(shè)此時的X，Y坐標(biāo)為原點位置；然后上下調(diào)節(jié)滑竿，直到信號最大為止，此時就是焦點的位置。（g) 設(shè)定掃描的時間范圍、時間間隔、掃描范圍、掃描間隔、原點位置以及閾值線（level）的位置（實驗時掃描范圍為X（-10，10），Y（-10，10），精度都是0.2）。各項指標(biāo)都調(diào)好后，可以執(zhí)行掃描程序，即得到了5

14、MHz聚焦換能器在焦平面處的聲場分布并保存。（h) 掃描結(jié)束后，通過Motion-Move-Locate命令，用鼠標(biāo)在剛得到的掃描圖上重新確定掃描平面的原點位置，此時的位置為精確的原點位置。（i) 上下調(diào)節(jié)滑竿位置，重復(fù)步驟(g),(h)，測量5 MHz聚焦換能器的近場（兩個截面）以及遠場（兩個截面）的聲場分布。2、 5 MHz非聚焦換能器聲場的測定（a) 將5800系統(tǒng)機械掃描裝置滑竿上的5 MHz聚焦換能器移出水槽，擦干后取下放入換能器盒，換成5 MHz非聚焦換能器；更換過程中要小心謹(jǐn)慎，手盡量不要碰到換能器的表面，并且要擰緊，不能讓換能器連接處進水。（b) 重復(fù)5 MHz聚焦換能器聲場測

15、定實驗的步驟(g),(h),(i)，得到5 MHz非聚焦換能器近場、遠場等處的聲場分布。3、 2.25 MHz聚焦換能器聲場的測定 與5 MHz聚焦換能器聲場的測定步驟一致。4、2.25 MHz非聚焦換能器聲場的測定與5 MHz非聚焦換能器聲場的測定步驟一致。5、3.5MHz非聚焦換能器聲場的測定與5 MHz非聚焦換能器聲場的測定步驟一致。（實驗時，原計劃是測1MHz非聚焦換能器的聲場，但由于頻率太低，測量效果不好，故改測3.5MHz。注意在所有的Panametrics換能器測試完畢后，應(yīng)關(guān)閉測試系統(tǒng)。關(guān)閉測試系統(tǒng)的順序與打開的順序剛好相反。具體關(guān)閉順序為：首先退出PC機上的Multiscan

16、軟件；然后按照從弱電到強電的順序關(guān)閉5800系統(tǒng)；即從下向上依次關(guān)閉5800系統(tǒng)X,Y坐標(biāo)控制開關(guān)（兩個綠色撥動開關(guān)）、運動裝置開關(guān)（鑰匙開關(guān)）、5800系統(tǒng)主開關(guān)（白色撥動開關(guān)）。最后手動將5800系統(tǒng)機械掃描裝置的滑桿移出水面，取下?lián)Q能器擦干放入換能器盒，拷走實驗數(shù)據(jù)，關(guān)閉總電源。最后排出水槽內(nèi)的水，取出水聽器和前置放大器放好，將各實驗儀器歸到原位。6、 實驗的注意事項1) 開機的時候要按照從強電到弱電的順序，依次開機；關(guān)機的時候正好相反。2) 實驗過程中，在更換換能器時，注意不能讓換能器連接處進水。3) 實驗中，注意水聽器針尖不能有氣泡，千萬不能用手觸碰到水聽器的針頭。4) 不能碰擊換能

17、器表面。為了不影響換能器的正常工作，在測量中應(yīng)避免聲場中出現(xiàn)強反射物，并且及時清除換能器表面的氣泡。附：實驗時，分兩組，我們第三組做的是測換能器聲束橫向掃描，固定水聽器，另外一組做聲束軸向掃描，固定換能器，步驟與上面略有不同，測量內(nèi)容如下表2：表2 不同頻率探頭測量截面換能器近場/mm焦點/mm遠場/mm5MHz聚焦50801051351625MHz非聚焦46.5871291622.25MHz聚焦203040651002.25MHz非聚焦19.545721003.5MHz非聚焦33486080五、實驗結(jié)果實驗得到的數(shù)據(jù)為經(jīng)過偏移的電壓信號，數(shù)據(jù)大小為t×x×y，x和y分別表

18、示掃描平面的x和y方向的掃描點數(shù)，t表示每一掃描點在時間軸上得到的數(shù)據(jù)個數(shù)。對XY平面上的每一掃描點的時間信號，取其最大值作為該點的值。由于實驗中測得的值是電壓值，因此需要采用以下步驟換算成聲壓值。第一步： 實驗數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換將實驗得到的后綴為.scn的數(shù)據(jù)通過EXTRACT.exe程序轉(zhuǎn)換成后綴為.dat的數(shù)據(jù)文件和.txt的頭文件。第二步：實驗數(shù)據(jù)的處理通過Matlab分別將.dat和.txt數(shù)據(jù)文件讀入，得到voltage_range、voltage_offset、sensitivy、掃描范圍x，y等參數(shù)值以及通過矩陣操作得到聲場電壓的二維矩陣，用公式(9)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的聲壓p二維矩陣，最

19、后用求瞬時聲強公式 I=p2Z（其中水的聲阻抗值Z=c=1.54×106 Pa·s/m）公式（9）中的轉(zhuǎn)換效率查說明書有：功率MHz53.52.25轉(zhuǎn)換效率×10-9V/Pa60.68597.5處理結(jié)果如下：1 聚焦換能器的聲場15 MHz聚焦換能器的聲場分布(a) z = 50 mm(b) z=80mm(c) z = 105mm(d) z = 135 mm(e) z=160 mm圖6 5 MHz Panametrics聚焦換能器的聲場分布圖中的左圖為各截面處的聲強三維分布圖，右圖為對應(yīng)的聲強偽彩色圖，z表示所測截面距離換能器中心的距離2. 2.25 MHz聚焦換

20、能器的聲場分布(a) z = 20 mm(b) z = 30 mm(c) z =40 mm(d) z =65 mm(e) z =100 mm圖7 2.25 MHz Panametrics聚焦換能器的聲場分布圖中的左圖為各截面處的聲強三維分布圖，右圖為對應(yīng)的聲強偽彩色圖，z表示所測截面距離換能器中心的距離。從聲強的三維圖圖6、7中我們可以定性定量的看到：隨著水聽器與換能器的軸向距離z值的變化引起超聲波聲場聲強及其波形的變化。對于5MHz的聚焦換能器，從波形而言：在近場時（Z= 50 mm和Z = 80 mm），出現(xiàn)很多的極值點，波束很寬，聚焦性能不好，主要是由于換能器近場超聲波相互干涉作用的結(jié)果

21、，但隨著Z值增加，波束逐漸變窄，并逐漸聚焦，但達到Z=105mm之后，波束又逐漸變寬說明到達焦點之后聲束開始發(fā)散，即進入遠場。從聲強最大值而言，在近場Z=50mm時的聲強比Z=80mm的大，是由于在聲場盲區(qū)波束之間發(fā)生干涉，從而聲壓發(fā)生連續(xù)變化并出現(xiàn)許多極大值和極小值的原因，當(dāng)Z=105mm時，聲強與Z=80mm相當(dāng)，結(jié)合聲場波形變化，可以猜測5MHz的換能器焦點應(yīng)該是在80mm與105mm之間，隨著Z繼續(xù)增加到達遠場時由于擴散而使聲強逐漸減小，綜上，實際測量波形及聲強變化與理論相符。 對于2.25MHz的聚焦換能器，波形的變化類似于5MHz聚焦換能器，隨著Z值的增加波束由寬變窄再變寬，并在焦

22、點出呈現(xiàn)尖峰，對于聲強而言，由于驅(qū)動功率不同的原因，2.25MHz的換能器聲強明顯大于5MHz，近場選的兩個位置正好出現(xiàn)一小一大的情況，并越靠近焦區(qū)聲強越大，在焦點之后，逐漸減小。已知參數(shù)中2.25MHz聚焦換能器的焦距為38mm，但根據(jù)波形變化和聲強在Z=65mm比Z=40mm大，可以判定焦點位置更靠近Z=65mm附近。 非聚焦換能器的聲場1. 5 MHz非聚焦換能器的聲場分布(a) z = 33 mm(b) z =87 mm(c) z = 129 mm(d) z = 162 mm圖8 5 MHz Panametrics非聚焦換能器的聲場分布圖中的左圖為各截面處的聲強三維分布圖，右圖為對應(yīng)的

23、聲強偽彩色圖，z表示所測截面距離換能器中心的距離2. 2.25 MHz非聚焦換能器的聲場分布(a) z = 19.5 mm(b) z = 45 mm(c) z =72 mm(d) z =100 mm圖9 2.25 MHz Panametrics非聚焦換能器的聲場分布圖中的左圖為各截面處的聲強三維分布圖，右圖為對應(yīng)的聲強偽彩色圖，z表示所測截面距離換能器中心的距離3. 3.5 MHz非聚焦換能器的聲場分布(a) z = 33 mm(b) z = 48 mm(c) z = 60 mm(d) z = 80 mm圖10 3.5MHz 換能器的聲場分布圖(a),(b),(c)中的左圖為各截面處的聲強三維

24、分布圖，右圖為對應(yīng)的聲強偽彩色圖，z表示所測截面距離換能器中心的距離從聲強的三維圖圖8、9、10中我們可以定性的看到，水聽器與非聚焦換能器的軸向距離Z的變化引起聲強的變化。對于5MHz的非聚焦換能器，實驗結(jié)果聲強呈現(xiàn)無規(guī)律的類似與芒刺一樣的分布圖，究其原因是由于實驗時沒有注意到針式水聽器針尖存在一個氣泡，導(dǎo)致出現(xiàn)很大的測量偏差，在以后的實驗中應(yīng)該引起注意。對于2.25MHz的非聚焦換能器，近場時（z = 19.5 mm和z = 45 mm），由于相互干涉作用而使得出現(xiàn)很多的極值點，波束很寬，在z = 72 mm處聲強才大致成中間高四周低的分布，波束變窄，最大值的存在可能與波束在聲場軸向某一點上

25、發(fā)生疊加相關(guān)，到遠場Z=100mm后，聲強在截面上比較均勻的中間高于周圍的分布。在一定范圍內(nèi)，聲強變化不大，但隨著Z值的不斷增加，相信聲強將會減小，實驗結(jié)果由于沒有出現(xiàn)測量Z值有限所以并沒有明顯下降。對于3.5MHz的非聚焦換能器，波形變化、聲強與2.25MHz相似，波束很寬，但不像2.25MHz那樣出現(xiàn)了一個中間高四周低的情況。 聚焦與非聚焦換能器定量比較分析1 5 MHz聚焦與非聚焦換能器聲場的比較表2為5 MHz Panametrics聚焦和非聚焦換能器的聲場參數(shù)表。5 MHz Panametrics聚焦換能器的標(biāo)定焦點位置為Z= 100 mm，實驗中分別選取了Z=50 mm，Z=80

26、mm,Z=105mm，Z=135 mm，Z=162 mm；5MHz非聚焦換能器分別選取了Z=46.5 mm、87mm、129mm、162mm，由于5MHz非聚焦換能器測試時水聽器針尖有氣泡，故不作分析。結(jié)果中-3dB的X、Y向波束寬度是畫出聲強分布的等高線圖后人工讀得。表 3 5 MHz Panametrics聚焦換能器聲場參數(shù)表z軸距離(mm)ISPTP (W/m2)ISPTA (W/m2)X向波束寬度(mm)Y向波束寬度(mm)5074.8146 0.38908058.9946 0.377410558.9946 0.40491.81.613538.0975 0.05852.01.81622

27、4.5467 0.05743.62.0從上表可以數(shù)據(jù)看出，5MHz聚焦換能器聲場分布特性與前面定性分析結(jié)果一致，從-3dB的X、Y向波束寬度可以看出，在越靠近焦點處寬度越?。ㄓ捎谠诮鼒雒^(qū)聲場紊亂故無法測得），由于5MHz非聚焦換能器測量的結(jié)果不理想，不能對比分析，理想情況下聚焦換能器平面上波束很窄，聲強呈高斯分布，有明顯的峰值存在，而非聚焦換能器主要波束寬，峰值不像聚焦換能器那么尖銳，但二者在遠場區(qū)的聲強分布都呈現(xiàn)出中間高四周低的特性，體現(xiàn)出換能器在遠場區(qū)分布較穩(wěn)定的特點，兩個換能器在遠場的聲束都發(fā)生擴散，波束寬度相對于焦平面都有所變大。2 2.25 MHz聚焦與非聚焦換能器聲場的比較下面給

28、出的是2.25 MHz Panametrics聚焦換能器和非聚焦換能器的聲場參數(shù)，如表3，4。2.25 MHz Panametircs聚焦換能器的標(biāo)定焦點位置為z = 38 mm。表 4 2.25 MHz Panametrics聚焦換能器聲場參數(shù)表z軸距離(mm)ISPTP (W/m2)ISPTA (W/m2)X向波束寬度(mm)Y向波束寬度(mm)20326.2878 1.789530405.1296 1.74561.81.840605.1935 1.69681.21.265991.1158 1.67180.80.8100 164.2611 0.37721.01.2表 5 2.25 MHz

29、Panametrics非聚焦換能器聲場參數(shù)表z軸距離(mm)ISPTP (W/m2)ISPTA (W/m2)X向波束寬度(mm)Y向波束寬度(mm)19.5191.7847 0.428745173.1989 0.422972253.2245 0.40651.41.4100147.0959 0.421122.8從圖8，9可看出，2.25 MHz聚焦換能器有明顯的焦平面存在，焦平面上波束變窄，聲強呈高斯分布，有明顯的峰值存在，而2.25 MHz非聚焦換能器在z = 38 mm處的平面波束依然比較寬，聲強也不呈現(xiàn)出高斯分布的特性，甚至還有一些紊亂的極值點出現(xiàn)。從表4，5的統(tǒng)計數(shù)據(jù)也可以清楚看出在z

30、= 38 mm處平面上聚焦的ISPTP和ISPTA比比非聚焦大得多，并且前者的聲強在近場、焦平面和遠場區(qū)的差別很大，而后者變化很小，體現(xiàn)出聚焦換能器提高了焦點區(qū)聲強的作用。同時對于聚焦換能器在Z=65mm處的ISPTP比Z=40mm大，-3dB處的X、Y向波束寬度要更小，更加說明實際焦點更靠近65mm附近。此外二者近場都比較紊亂，反映了近場區(qū)聲波的干涉作用，但是非聚焦的2.25 MHz換能器近場區(qū)更加紊亂。3 5 MHz聚焦與2.25 MHz聚焦換能器聲場的比較從圖6，7及表3，4中可以看出，兩個聚焦換能器都實現(xiàn)了聲束的聚焦作用，有明顯的焦點存在，但是總體2.25 MHz聚焦換能器比5 MHz聚焦換能器的焦點峰值要大，并且聚焦直徑要小，聚焦性能要好一些。對其原因如下：對于聲透鏡聚焦，其焦點直徑與焦距f、波長成正比，與換能器直徑D成反比，實驗中使用的換能器D值一樣，計算得出理論上5 MHz聚焦換能器與2.25 MHz聚焦換能器的焦距波長乘積之比約為1.18，故理論上2.25 MHz聚焦換能器在相同的實驗條件下的聚焦性能應(yīng)當(dāng)比5 MHz聚焦換能器略好，這與實驗結(jié)果是一致的。但是從表2，3