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第 37 卷 第 6 期 姜雪娇等： 微纳相控线阵超声换能器参数的理论分析 885

阵元间距不变，焦点位置为 F(0,0,1.5 mm) 的 0.04 mm 时，可以达到 0.035 mm 的 −3 dB 主瓣宽
情况下，图 4(a) 中随着阵元数目的增大，主瓣声压 度，是 16 阵元、0.08 mm 阵元宽度对应宽度的三分
强度随之增大，但当阵元数目一定时，声压强度随 之一左右，因此，增大阵元数目，减小阵元宽度可
着阵元宽度的增大呈现先增大后减小的趋势，最大 以提高侧向分辨率。当阵元宽度不变，焦点位置
值的位置会因为阵元数目的不同而有所不同。当 为 F(0,0,1.5 mm) 的情况下，图 5(b) 中阵元数目为
阵元宽度不变，焦点位置为 F(0,0,1.5 mm) 的情况
144、阵元间距为 0.1 mm 时，侧向分辨率可以达到
下，图 4(b) 中阵元间距为 0.07 mm、208 个阵元数
0.035 mm 的主瓣宽度，大约是 16 阵元数、0.06 mm
4
目对应的声压强度可以达到 1.75 × 10 kPa，是 32
阵元间距对应的−3 dB主瓣宽度的四分之一，可以
阵元数目、0.125 mm 阵元间距对应声压强度的 3.5
倍左右；结果表明，声压强度整体朝着大阵元数小
阵元间距方向增大。阵元数目不变，焦点位置为
F(0,0,1.5 mm)的情况下，图4(c)中声压强度随着阵 0.10
元间距的减小而增大，但当阵元间距一定时，声压强 0.08
度随着阵元宽度的增大呈现先增大后减小的趋势， -3 dB˟ၥࠕए/mm 0.06
最大值的位置会因为阵元间距的不同而有所不同。 0.04
由图 4 可以看出，增大阵元数目可以得到较高 0.02
0.08
0
的声压强度。但是，这种方法会导致换能器整体尺 0.06 50
100
寸变大，提高制作成本，不利于微尺度特征事物的检 ᫼Ћࠕए/mm 0.04 150 ᫼Ћ஝ᄬ/˔
测；减小阵元间距也可以增大主瓣强度，但这种做法 (a) ᫼Ћ஝ᄬnjࠕएˁ-3 dB˟ၥࠕएТጇڏ
会受到电陶瓷晶片制作工艺及换能器制作成本的
限制；此外，在一定范围内增大阵元宽度也可以增大 0.16
声压强度，具体范围受到阵元数目及阵元间距的影 0.14
响，需要具体情况具体分析。因此，不能一味地通过 0.12
0.10
增大阵元数目、宽度，减小阵元间距来增大声压强 -3 dB˟ၥࠕए/mm 0.08
度，需要均衡考虑各个参数结合实际操作，找出最佳 0.06
的参数设计方案。 0.04
0.02 0
3.2 阵元参数对 −3 dB 主瓣宽度的影响及理 0.10 0.09 0.08 100 50
0.07
论分析 ᫼Ћᫎᡰ/mm 0.06 150 ᫼Ћ஝ᄬ/˔
微纳线性相控阵超声换能器的成像分辨率与 (b) ᫼Ћ஝ᄬnjᫎᡰˁ-3 dB˟ၥࠕएТጇڏ
横向声场分布中的主瓣宽度息息相关，主瓣宽度越
窄，成像分辨率越高，本文以 −3 dB 主瓣宽度作为
参考，−3 dB 主瓣宽度为归一化声压为 −3 dB时对 0.050
应的横向距离轴的两个点间的距离。若主瓣不理 0.045
想，容易出现分辨性伪像，它是由于系统空间分辨率 -3 dB˟ၥࠕए/mm 0.040
限制，凡是距离小于分辨率的两点或多点物体，在 0.035
图像上只能将其显示为一个较大的物体，即常说的 0.14 0.07 0.08
0.12 0.06
横向或纵向分辨率偏低 [7] 。为提高换能器成像分辨 0.10 0.05 ᫼Ћࠕए/mm
率，下面讨论阵元数目、阵元宽度及阵元间距与横 ᫼Ћᫎᡰ/mm 0.08 0.04
向声场中 −3 dB 主瓣宽度之间的关系，总结对换能 (c) ᫼Ћᫎᡰnjࠕएˁ-3 dB˟ၥࠕएТጇڏ
器设计有价值的规律。 图 5 阵元参数对 −3 dB 主瓣宽度的影响
阵元间距不变，焦点位置为 F(0,0,1.5 mm) 的 Fig. 5 The influence of array parameters on the
情况下，图 5(a) 中，阵元数目为 144、阵元宽度为 width of −3 dB main lobe