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756 2018 年 9 月

张角可以使焦点处的声辐射力、切变位移增加。另 收系数增加，声强减小。起初，声吸收系数占主导地
与球面聚焦换能器为小张角时进行比较，发现大张 位，声辐射力、归一化切变位移增加，之后声强占主
角球面换能器声辐射力、切变位移均有显著增加，这 导地位，故声辐射力、归一化切变位移随着频率的
也是大张角共焦换能器的优势。在实际应用中，当 增加而减小。随着频率的增加，聚焦区域后移，聚焦
需要较大的声辐射力、切变位移时，大张角共焦换 区域与焦点的距离也越近，即越接近焦点。在振动
能器为很好的选择，当对声辐射力、切变位移不高 声成像实际应用中，选择合适的频率十分重要，但频
时，因为大张角共焦换能器在工艺上的复杂性，此时 率的选择不仅仅与声辐射力和切变位移有关，还需
可以选择小张角共焦换能器。 考虑其对分辨率等的影响。

1.2 3500
1.0 MHz
3000 1.5 MHz
0.8
1.8 MHz
2.5 MHz
0.4 2000 2.2 MHz
ॆʷӑͯረ 0.0 ܦᣣ࠱ҧ/(N⋅m -3 ) 2500
1500
-0.4 1000
30.00°
-0.8 33.37° 500
36.87°
0
-1.2
0 1 2 3 4 5 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
௑ᫎ/ms
ᣉՔᡰሏ/m
图 7 不同外角下归一化切变位移随时间变化
图 8 不同频率下的声辐射力的轴向分布
Fig. 7 The normalized shear displacements chang-
Fig. 8 The axial distribution of acoustic radiation
ing with time at different external half-aperture
forces at different central frequencies
angles
3.2 改变频率的仿真计算结果 1.0

由 f a = f 0 − ∆f/2、f b = f 0 + ∆f/2 可知，共
0.5
焦换能器频率由两部分组成即中心频率 f 0 和差频
频率 ∆f，又因为 f 0 ≫ ∆f，故可知差频频率 ∆f 的 0.0
变化对频率的影响较小，且变化范围也较小，故以 ॆʷӑͯረ
下仅对中心频率的变化对焦点处的声辐射力和剪 -0.5 1.0 MHz
1.5 MHz
切波位移的影响进行仿真模拟，分析其结果。使用 1.8 MHz
2.2 MHz
-1.0 2.5 MHz
参数如下：a 1 = 3.0 cm，a 21 = 4.5 cm，a 22 = 5 cm，
r = 10 cm，p 0 = 100 kPa。 0 1 2 3 4 5
௑ᫎ/ms
由图 8 和图 9 可知，不同中心频率对轴向声辐
射力和剪切波位移有着显著的影响。当中心频率由 图 9 不同中心频率下的归一化切变位移随时间变化
Fig. 9 The axial normalized shear displacements
1.0 MHz 增加到 2.5 MHz 时，声辐射力及归一化切
changing with time at different central frequencies
变位移的最大数值均出现先增加后减小的变化趋
势，且最大声辐射力出现的区域后移，越来越接近焦
4 结论
点，即声辐射力的作用区域后移，最大声辐射力越来
越接近焦点，频率越大，距离焦点也越近。这和平常 本文主要针对大张角共焦换能器的不同参量
思维中的频率越高，聚焦效果越好，声辐射力越大相 (主要指张角和频率) 对轴向声辐射力、剪切波位移
违背但却不难理解。由式(4)可知，声辐射力由声吸 的影响进行研究，发现对于共焦换能器的两个组成
收系数 α tot 和声强 I 共同决定，当频率增加时，声吸 部分而言，无论是大张角环状换能器还是大张角球