Page 127 - 《应该声学》2022年第2期

第 41 卷 第 2 期 高鹏飞等： cMUT 阵元的声学分析与环形扫描成像 295

其中，x 方向第 m 个 cell 的坐标为 x m ，y 方向第 n 个 cMUT 发射超声信号遇到障碍物后接收反射
cell 的坐标为 y n ，场点到 cell 圆心的距离为 r mn 。为 回波信号，对信号进行处理就可以得到信号包含的
方便计算阵元声场，还需将公式 (1) 所用的球坐标 信息。环形扫描成像回波信号处理过程主要有滤波
系转化为直角坐标系，空间某点声压为 P(x, y, z)， 降噪、包络幅度相位信息提取 (Hilbert 变换的包络
p mn 为 (x m , y n ) 处 cell 在场点处产生的声压。之后 检测)和幅度信息灰度转换(对数压缩映射)，最后对
对上述公式选择不同的参数进行仿真，用以更好地 数据进行坐标变换及插值处理，完成回波信息 (位
展示声学性能。 移、幅度)到二维灰度图像的转变 [14−15] 。

2 阵元声学仿真

以传播介质为硅油、cMUT振速幅值为1 mm/s
N
正弦振动为例，首先比较 cell 个数对声学性能的
影响。对于 N 行 M 列 cell 组成的阵元，cell 半径
S y r = 90 µm，间距 S = 200 µm，分别仿真 10 × 10、
a
20 × 20、30 × 30个cell组成的方形阵元在2 MHz频
S x
率下辐射的声场，仿真结果如图2所示。
M
图 1 多个 cell 排列组成阵元 可以看到随着 cell 个数增加，cMUT 阵元声场
Fig. 1 Multiple cells are arranged to form an el- 指向性变强，此仿真参数下声轴声压最大值基本不
ement 变，最大值点即远近场分界点变远。
1.2 环形扫描成像原理 比较频率对辐射声场的影响，其他参数不变。

由于 cMUT 辐射的声学性能决定成像质量的 cell 半径 a = 90 µm，间距 S = 200 µm，30 × 30 个
优劣，主瓣越窄，分辨率越高。下文通过声学仿真与 cell组成的阵元，仿真频率分别为0.5 MHz、1 MHz、
测试确定成像实验所需参数。 2 MHz、3 MHz，仿真结果如图3所示。
0 0 0
5
10
5 10 20
ܦᣉ/mm 10 ܦᣉ/mm 15 ܦᣉ/mm 30
20
25
40
15 30
50
35
-3 -2 -1 0 1 2 3 -6 -4 -2 0 2 4 6 -6 -4 -2 0 2 4 6
cMUT x/mm cMUT x/mm cMUT x/mm
(a) 10f10˔cellܦڤ (b) 20f20˔cellܦڤ (c) 30f30˔cellܦڤ
1000 1000 1000

500 500 500
ܦԍ/Pa 0 ܦԍ/Pa 0 ܦԍ/Pa 0

-500 -500 -500
-1000 -1000 -1000
0 5 10 15 20 0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 50 60
ܦᣉ/mm ܦᣉ/mm ܦᣉ/mm
(d) 10f10˔cellᣉՔܦԍ (e) 20f20˔cellᣉՔܦԍ (f) 30f30˔cellᣉՔܦԍ
图 2 不同个数 cell 声场、轴向声压对比
Fig. 2 Comparison of sound field and axial sound pressure of different number of cells