Page 173 - 201805

第 37 卷 第 5 期 戚萌等： 大张角共焦换能器对振动声成像的影响 755

分别为 2.5 cm、3 cm、3.5 cm、4 cm，对应的内角的 方案二所用参数如表 3 所示。固定球面换能器
变化为 14.48 、17.46 、20.49 、23.58 ，其中包含小 的开口半径以及环状换能器的内径不变，改变环状
◦
◦
◦
◦
张角。 聚焦换能器的开口半径分别为 5 cm、5.5 cm、6 cm，
由图 4 和图 5 可知，随着开口半径由 2.5 cm 增 对应的内角的变化为30.00 、33.37 、36.87 ，这里因
◦
◦
◦
加到 4 cm，内角由 14.48 增加到 23.58 。可以发现， 为换能器结构原因，不讨论环状聚焦换能器张角为
◦
◦
当内角由小张角变为大张角时，共焦换能器在焦点 小张角的情况。
处的声辐射力的增加显著，共焦换能器在焦点处的
表 3 方案二所用参数
最大归一化切变位移的增加显著，且随着内角的增
Table 3 The parameter used in the second
加，共焦换能器在焦点处的声辐射力持续增加，最大
scheme
归一化切变位移数值增加。可以理解成当初始声压
一致时，增加球面换能器的开口半径，增加了辐射的 a 1 /cm a 21 /cm a 22 /cm r/cm θ /( ) θ /( )
◦
◦
外
内
声功率，所以聚焦效果增强，焦域增加，声辐射力增
3 4.5 5 10 17.46 30.00
加，焦点处声辐射力产生了剪切波，故导致切变位
3 4.5 5.5 10 17.46 33.37
移增加。由此可知，当想要增加声辐射力、切变位移
3 4.5 6 10 17.46 36.87
时，增加球面聚焦换能器的张角为其中一种方法。
由图 6 和图 7 可知，随着环状换能器的开口半
5500
5000 14.48° 径的增加，外角增加，在焦点处的声辐射力增加，在
4500 17.46° 焦点处产生的最大归一化切变位移增加。可以理解
20.49°
4000
ܦᣣ࠱ҧ/(N⋅m -3 ) 3500 成当声压一致时，固定环状换能器内径不变，增大开
23.58°
3000
口半径，亦即增大了环状聚焦换能器的声辐射功率，
2500
在球面换能器各项参数不变的基础上，增加了环状
2000
1500
1000 换能器的声辐射功率，当共焦换能器在焦点区域的
声辐射力增强，焦点处声辐射力产生了剪切波，故
500
0 导致切变位移增加。由此可知，当想要提高切变位
-500
0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 移时，增加环状聚焦换能器的张角为另一种可行的
ᣉՔᡰሏ/m
办法。
图 4 不同内角下的声辐射力的轴向分布
5500
Fig. 4 The axial distribution of acoustic radiation 5000
30.00°
4500
forces at different inner half-aperture angles 4000 33.37°
ܦᣣ࠱ҧ/(N⋅m -3 ) 3000
36.87°
1.2 3500
2500
0.8 2000
0.4 1500
1000
ᖂаॆս〫 0.0 500 0
-0.4 14.48° -500 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
ᣉՔᡰሏ/m
17.46°
-0.8 20.49°
23.58° 图 6 不同外角下的声辐射力的轴向分布
-1.2 Fig. 6 The axial distribution of acoustic radiation
0 1 2 3 4 5
௑ᫎ/ms forces at different external half-aperture angles
图 5 不同内角下的归一化切变位移随时间变化 综上可知，当增加球面聚焦换能器开口半径或
Fig. 5 The normalized shear displacements changing 者环状换能器开口半径时，焦点区域的声辐射力增
with time at different inner half-aperture angles 加，焦点处的切变位移增加，所以增加共焦换能器的