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884 2018 年 11 月

R(m) 3.1 阵元参数对主瓣强度的影响及理论分析
t d (m) = , m = 1, 2, 3, · · · , N m , (3)
c
主瓣强度是指横向声场分布中主瓣的最大值，
其中，N m 为阵元数目，c 为声波速度，R(m) 为第 m
即横向声场声压强度的最大值。其直接影响换能器
个阵元中心到聚焦点的距离。
的探测深度范围，主瓣强度越大，探测深度范围越
利用式 (2)，设线性阵列阵元数目为 72，阵
大。在实际超声检测成像实验中，较大的探测深度
元宽度为 50 µm，阵元高度为 0.5 mm，中心频
范围使得微纳换能器可以对微尺寸特征结构表面、
率为 10 MHz，阵元中心间距为 120 µm，声速为
亚表面和次表面的 3D 特征进行检测，极大提高微
1.5 mm/µs，焦点位置为 F(0,0,1.5 mm)，其稳态横
纳换能器的检测性能。以下主要讨论阵元数目、阵
向声场分布如图2 所示，横坐标为横向距离，纵坐标
元宽度及阵元间距对微纳线性相控阵换能器横向
为归一化声压。可以看出线性相控阵超声换能器的
声场中主瓣强度的影响。
横向声场由主瓣、旁瓣、栅瓣组成。声场不理想会造
成超声成像中产生分辨性伪像、栅瓣效应伪像和旁
1.2
瓣效应伪像 [7] 。 1.1
ܦԍूए/10 4 kPa 0.9
1.0 1.0

0.8 0.8
0.7
ॆʷӑܦԍ 0.6 0.10 0.08 0.07 80 100 120
0.09
0.4
0.06
0.05 40 60 ᫼Ћ஝ᄬ/˔
᫼Ћࠕए/mm
0.2
(a) ᫼Ћࠕएnj஝ᄬˁܦԍूएТጇڏ
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
ഷՔᡰሏ/mm 2.0
ܦԍूए/10 4 kPa 1.0
图 2 横向声场分布 1.5
Fig. 2 Lateral sound field distribution

3 微纳线性相控阵换能器的参数对横向声
0.5
场的影响及理论分析 0.15
200 250
0.10 100 150
由式 (2) 知，阵元数目 N m 、阵元宽度 a 和阵元 ᫼Ћᫎᡰ/mm 0.05 0 50 ᫼Ћ஝ᄬ/˔
间距 d (如图 3 所示) 直接影响微纳相控阵超声换能
(b) ᫼Ћᫎᡰnj஝ᄬˁܦԍूएТጇڏ
器的横向声场，是目前相控阵超声换能器设计优化
的重要参数。良好的微纳线性相控阵超声换能器横
向声场应有较小的主瓣宽度、较高的主瓣强度、较 1.1
低的旁瓣，并且没有栅瓣。以下主要讨论微纳线性 1.0
0.9
相控阵阵元参数变化对换能器横向声场的影响并 ܦԍूए/10 4 kPa 1.2
0.8
进行理论分析，为换能器的制备提供理论参考。 0.7
0.6
d
a 0.16 0.10
0.14 0.08
0.12 0.06
0.10 0.04 ᫼Ћࠕए/mm
᫼Ћᫎᡰ/mm
(c) ᫼ЋᫎᡰnjࠕएˁܦԍूएТጇڏ
图 4 阵元参数对主瓣声压强度的影响
图 3 一维矩形线阵 Fig. 4 The influence of array parameters on the
Fig. 3 One dimensional rectangular array acoustic pressure intensity of the main lobe