Page 159 - 《应用声学》2024年第1期

第 43 卷 第 1 期 高碧珍等： 硅油介质中矩形电容式微机械超声换能器发射与接收声场特性研究 155

1.0 阵元指向性除了受自身尺寸的影响，还需考虑
20f20᫼Ћ
30f30᫼Ћ 工作参数的影响。图6为矩形CMUT在不同频率下
0.8
40f40᫼Ћ
的辐射声场指向性。在图 6(a)∼(c) 中，CMUT 尺寸
ॆʷӑࣨϙ 一定 (M = 20)，发射频率分别为 0.5 MHz、1 MHz
0.6
0.4
和1.8 MHz，在偏转角为−30° ∼ 30° 范围内，随着频
0.2 率的增大，主瓣宽度减小，指向性增强。改变CMUT
尺寸，如图 6(d)∼(f) 以及图 6(g)∼(i) 所示，可得到
0
-30 -20 -10 0 10 20 30 相同的规律。基于图 6 中辐射声场指向性的对称结
ᝈए/(°)
构，可将不同阵元在 XZ 平面的投影数据绘制于同
图 5 XZ 截面不同尺寸 CMUT-1 MHz 指向性曲线
一曲线图中，以便于多组数据对比分析，结果如图 7
Fig. 5 In XZ section CMUT of different sizes-
1 MHz directivity curve 所示。

1.0 1.0 1.0
Z (ॆʷӑࣨϙ) 0.6 Z (ॆʷӑࣨϙ) 0.6 Z (ॆʷӑࣨϙ) 0.6
0.8
0.8
0.8
0.4
0.4
0.4
0.2
0 0.2 0 0.2 0
30 30 30
20 30 20 30 20 30
10 20 10 20 10 20
0 10 0 10 0 10
-10 -10 0 -10 -10 0 -10 -10 0
-20 -20 Y⊳(°) -20 -20 Y⊳(°) -20 -20
-30 -30 X⊳(°) -30 -30 X⊳(°) -30 -30 X⊳(°)
Y⊳(°)
(a) 20f20˔ॲЋ-0.5 MHzૉՔভ (b) 20f20˔ॲЋ-1.0 MHzૉՔভ (c) 20f20˔ॲЋ-1.8 MHzૉՔভ
1.0 1.0 1.0
Z (ॆʷӑࣨϙ) 0.6 Z (ॆʷӑࣨϙ) 0.6 Z (ॆʷӑࣨϙ) 0.6
0.8
0.8
0.8
0.4
0.4
0.4
0.2
0 0.2 0 0.2 0
30 30 30
20 20 30 20 30
10 30 10 20 10 20
0 10 20 0 10 0 10
-10 -10 0 -10 -10 0 -10 -10 0
-20 -20 Y⊳(°) -20 -20 Y⊳(°) -20 -20
Y⊳(°)
-30 -30 X⊳(°) -30 -30 X⊳(°) -30 -30 X⊳(°)
(d) 30f30˔ॲЋ-0.5 MHzૉՔভ (e) 30f30˔ॲЋ-1.0 MHzૉՔভ (f) 30f30˔ॲЋ-1.8 MHzૉՔভ
1.0 1.0 1.0
Z (ॆʷӑࣨϙ) 0.6 Z (ॆʷӑࣨϙ) 0.6 Z (ॆʷӑࣨϙ) 0.6
0.8
0.8
0.8
0.4
0.4
0.4
0.2
0 0.2 0 0.2 0
30 30 30
20 30 20 30 20 30
10 20 10 20 10 20
0 10 0 10 0 10
-10 0 -10 0 -10 0
-20 -20 -10 Y⊳(°) -20 -20 -10 Y⊳(°) -20 -20 -10
-30 -30 X⊳(°) -30 -30 X⊳(°) -30 -30 X⊳(°)
Y⊳(°)
(g) 40f40˔ॲЋ-0.5 MHzૉՔভ (h) 40f40˔ॲЋ-1.0 MHzૉՔভ (i) 40f40˔ॲЋ-1.8 MHzૉՔভ
图 6 不同尺寸 CMUT 在不同频率下的三维指向性
Fig. 6 Three dimensional directivity of different size CMUTs at different frequencies
位的远场位置上，声压幅值与 theta 角有关，即在远
3 硅油介质中矩形CMUT发射-接收性能 声场具有一定的指向性 [26] 。所以，在对 CMUT 换
测试
能器指向性进行测试时，需确保接收换能器处于发
射换能器的远场区域。根据公式 (5) 可计算出圆形
为进一步分析矩形 CMUT 的发射/接收声场
活塞辐射的远近场临界点 [27] ：
特性，本文在硅油中对已有的矩形 CMUT 裸芯片
2
(M = 30) 进行声场特性测试。在相同距离不同方 z g = R /λ, (5)