Page 125 - 《应该声学》2022年第2期

第 41 卷 第 2 期 Vol. 41, No. 2
2022 年 3 月 Journal of Applied Acoustics March, 2022

⋄ 研究报告 ⋄

cMUT阵元的声学分析与环形扫描成像 ∗

高鹏飞 何常德 张彦军 † 张文栋 王红亮 任勇峰 党 荣
李一凡 王子渊 孟亚楠 沈姝君

(中北大学 省部共建动态测试技术国家重点实验室 太原 030051)

摘要：电容式微机械超声换能器 (cMUT) 具有宽带宽、灵敏度高、机械阻抗低和与电子电路集成制造等优点。
由于超声换能器声场设计的好坏决定了成像质量的优劣，为了明确阵元参数与辐射声场的关系，该文对不同
的阵元参数进行了计算仿真。与压电陶瓷超声换能器的结构不同，cMUT 阵元是由多个电容单元 (cell) 并联构
成。因此分析了 cell 的半径、cell 数量、间距、振动频率等阵元参数与辐射声场分布、远近场分界点、辐射声压、
指向性的关系，并进行了声轴声压与指向性实验测试验证。理论与实验测试结果基本一致。通过仿真计算，选
用一种已制备的指向性强、发射性能好的 cMUT 单阵元器件对鸡骨进行了环形扫描和成像，实现了对生物体
组织横截面的超声 CT 成像，验证了所制备的 cMUT 器件的可用性。此研究对工业与医学成像领域具有重要
的参考价值。
关键词：电容式微机械超声换能器；声场；指向性；轴向声压；环形扫描成像
中图法分类号: TB552; TB559 文献标识码: A 文章编号: 1000-310X(2022)02-0293-08
DOI: 10.11684/j.issn.1000-310X.2022.02.016

Sound analysis of cMUT element and circular scanning imaging

GAO Pengfei HE Changde ZHANG Yanjun ZHANG Wendong WANG Hongliang

REN Yongfeng DANG Rong LI Yifan WANG Ziyuan MENG Yanan SHEN Shujun

(State Key Laboratory of Dynamic Testing Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Abstract: Capacitive micromechanical ultrasonic transducer (cMUT) has the advantages of wide bandwidth,
high sensitivity, low mechanical impedance and integrated manufacturing with electronic circuits. Because the
sound field design of ultrasonic transducer determines the imaging quality, in order to clarify the relationship
between array parameters and radiated sound field, different array parameters are calculated and simulated in
this paper. Different from the structure of the piezoelectric ultrasonic transducer, cMUT element is made up
of multiple (cell) shunt capacitor unit. Therefore, the relationship between cell parameters such as cell radius,
cell number, spacing and vibration frequency and radiated sound field distribution, far-near field boundary
point, radiated sound pressure and directivity is analyzed, and the experimental test of sound axis sound
pressure and directivity is carried out. The theoretical results are basically consistent with the experimental
results. Through simulation calculation, a prepared cMUT single array component with strong directivity and
good emission performance was selected to scan and image the chicken bone, which realized the ultrasonic CT

2021-08-26 收稿; 2021-11-29 定稿
国家重点研发计划项目 (2018YFF0110500), 中北大学电子测试技术国家重点实验室项目 (6142001200408), 国家重大科学仪器研制项
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目 (61927807), 山西省 “1331 工程” 重点学科建设计划项目
作者简介: 高鹏飞 (1995– ), 男, 山西忻州人, 硕士研究生, 研究方向: 三维超声成像。
† 通信作者 E-mail: zhangyanjun@nuc.edu.cn