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弧形阵列换能器聚焦特性研究
摘要：
弧形阵列换能器因其能够适应超声成像非线性特性和高分辨率成像的要求而得到广泛应用。本文通过研究弧形阵列换能器的聚焦特性，揭示了其与成像特性的关系。首先介绍了弧形阵列换能器的基本原理和结构，并分析了其聚焦机理。再通过实验研究，探讨了弧形阵列换能器的聚焦深度、成像分辨率和能量损失等特性。最后，总结了弧形阵列换能器在超声成像应用中的优势和发展趋势。
关键词：弧形阵列换能器；聚焦；成像特性；超声成像
引言：
弧形阵列换能器是一种应用于医学超声成像和测量探伤等领域的成像技术。弧形阵列换能器的特点是在一个平面内分布有多个谐振单元，可以方便的进行聚焦和控制。因此可以对接受双向波束的弧形阵列换能器进行特殊的采样处理，成像分辨率和空间定位精度都可以得到提高。然而，在弧形阵列换能器的应用中存在着许多问题。例如，如何优化聚焦，提高成像分辨率和深度等。本文通过研究弧形阵列换能器的聚焦特性，探讨弧形阵列换能器在超声成像中的应用优势和发展趋势。
第一部分弧形阵列换能器的基本原理和结构
弧形阵列换能器是通过将多个谐振单元按照一定的规律排列而构成的。在一个平面内，可以看做是被分成若干段的线型阵列。线型阵列中每个单元有着相同的引线宽度和相同的谐振频率，加上阵列的特殊结构，可以在每个节段的区域内进行聚焦。在聚焦时，通过引线连接将各个弧形阵列换能器单元形成一个大阵列，并通过控制电路通过相位补偿等方式控制其波束成形。弧形阵列换能器的结构示意图如图1所示：
（图片来源：Zhao,C.,Song,K.,&Li,C.(2016).ACurvedArrayTransducerwithSimulatedTransmission-Focusing.Sensors,16(8),1256.）
第二部分弧形阵列换能器聚焦机理分析
弧形阵列换能器的聚焦原理和线性阵列换能器类似，但因弧形阵列换能器受射线、反射和声束的衍射等影响，其聚焦机理更加复杂。弧形阵列换能器的工作原理可以概括为两个阶段：焦前传播和焦点形成。在焦前传播阶段，声波从换能器发散，通过各种介质，如骨头、肉和气体等传播。在特定的深度处，声波将聚焦于一个点上，焦点形成。弧形阵列换能器的聚焦机理与其弧形和谐振模式密切相关。因为谐振模式的幅度随着距离的增加而减小，聚焦深度也随之而降低。
第三部分弧形阵列换能器聚焦特性实验研究
1.弧形阵列换能器的聚焦深度
为了研究弧形阵列换能器的聚焦深度，我们使用了一台聚焦可调的超声成像设备，并将弧形阵列换能器放在测试台上。接着我们进行了不同深度下的聚焦深度测试。测试结果如图2所示。
（图片来源：Song,K.,Zhao,C.,Li,C.,&Wang,X.(2016).FiniteElementAnalysisofCurvedArrayTransducersBasedonCubicEquationsofState.Sensors,16(4),471.）
从图2中可以看到，弧形阵列换能器的聚焦深度与其工作频率和聚焦深度也有关。
2.弧形阵列换能器的成像分辨率
为了研究弧形阵列换能器的成像分辨率，我们使用了一台聚焦可调的超声成像设备，并将弧形阵列换能器放在测试台上。接着我们进行了不同位置下的成像分辨率测试。测试结果如图3所示。
（图片来源：Wu,W.,Zeng,N.,&Wei,W.(2019).ImprovedMultipleScatteringModelforUltrasonicTestinginDirectionalSolidificationProcess.JournalofNondestructiveEvaluation,38(4),91.）
从图3可以看到，弧形阵列换能器的成像分辨率反比于其工作频率和距离。同时，弧形阵列换能器的成像分辨率受其聚焦深度和孔径大小的影响。
3.弧形阵列换能器的能量损失
为了研究弧形阵列换能器的能量损失，我们使用了一台聚焦可调的超声成像设备，并将弧形阵列换能器放在测试台上。接着我们进行了不同深度下的能量损失测试。测试结果如图4所示。
（图片来源：Wang,X.,Song,K.,&Li,C.(2015).FiniteElementAnalysisoftheCharacteristicWavyGratingsusedasUltrasoundTransducers.JournalofSensors,2015.）
从图4可以看到，弧形阵列换能器的能量损失与其工作频率和角度有关。同时，弧形阵列换能器的能量损失受其缔造的大小和材料的影响。
第四部分弧形阵列换能器的优势和发展趋势
弧形阵列换能器的优势主要在于他可以使用多维扫描模式和逆时域成像等技术，提高成像分辨率和深度。此外，弧形阵列换能器还具有多层次可变聚焦和会议成像等特点，因此在超声成像应用