11 声束聚焦及相控技术

学习笔记
作者: MingXiao

11.1 聚焦声场分布

诊断：声束变窄，横向分辨率变大

治疗：能量更加集中

聚焦换能器种类

  • 声透镜

    这种方式要求换能器是平面的，发射平面波

    换能器口径为\(D\)，焦斑\(d\)近似满足
    \[ d = 2.44\cdot \frac{f}{D}\lambda \]
    焦距\(f\)满足\(f=\frac{C_1}{C_1-C_2}r\)，\(r\)是透镜的曲率半径

    为了提高聚焦度，减小焦斑，可以增大口径\(D\)，提高工作频率\(\frac{c}{\lambda}\)

  • 凹形压电材料（自聚焦）：换能器发出的波就是非平面

    横向聚焦尺寸\(r_0\)满足
    \[ r_0 = 0.257 \frac{2\lambda f}{D} \]
    轴向聚焦尺寸\(L_f\)满足
    \[ L_f = 1.8\frac{4\lambda f^2}{D^2} \]
    HIFU以这种方式居多

  • 声反射镜：凹面镜反射

  • 电子聚焦：相控聚焦

  • 凹形多元阵聚焦：凹形的大圆盘内嵌多个小换能器

11.2 聚焦技术的应用

  • HIFU：不用透镜，因为有能量损失，透镜发热会形变，焦点不准
  • 肾结石粉碎
  • 提高B超的横向分辨率

11.3 超声相控技术

多振元，控制每个振元的发射相位（先后）

相控换能器线阵：多个换能器排列成直线，每个振元加上不同相位的信号，可以实现

  • 线性扫描
  • 扇形扫描
  • 电子聚焦

而不需要进行机械移动

相控线扫

振元数越多，叠加后的声波主瓣越尖锐，横向分辨率越大

相控扇扫

相邻振元的声程差为\(L = d\sin\theta\)，那么发射延迟就是
\[ \Delta t = \frac{d}{c}\sin\theta \]

电子聚焦

对于距中心分别为\(b_1,b_2\)的振元，声程差为
\[ \Delta S = \sqrt{Z^2 +b_1^2} - \sqrt{Z^2+b_2^2} \]
延迟时间为
\[ \Delta t = \frac{S}{c} \]
对于频率为\(f\)的声波，相位差为\(\Delta \varphi = 2\pi f\Delta t\)

11.4 相控技术在B超中的波束成形应用

对于相控聚焦技术，由于各个振元之间存在生成差，在最终生成图象时，需要考虑这个时间差，才能准确显示图像



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