Page 161 - 《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 157

一致。即在远场区域收发间距对指向性无影响，距 理论上，kR ≫ 1，CMUT 具有较好的指向
离的增加只会使声衰减增大，造成接收到的辐射声 性，且频率越高，发射指向性越强。对比 1 MHz
压值较小。实际测试中，传感器的校准、分度盘的旋 与 1.8 MHz 下测试所得 CMUT 的发射指向性，见
转误差以及电压幅值的读取均可能导致实验结果 图 9(c)和图 9(d)。收发间距一定时，频率为1.8 MHz，
和数值结果之间的差异。尽管有这些影响，数值和 实测主瓣宽度比 1 MHz 的主瓣宽度窄，即接收指向
实验结果本质上仍是一致的。 性增强，与理论一致。

1.0 MHz 1.8 MHz
1.0 1.0
ေ᝷జጳ ေ᝷జጳ
CMUTԧ࠱, CMUTԧ࠱,
0.8 0.8
D1=3 cm D1=3 cm
CMUTԧ࠱, 0.6 CMUTԧ࠱,
ॆʷӑࣨϙ 0.4 ॆʷӑࣨϙ 0.4
D2=20 cm
0.6
D2=20 cm
0.2 0.2
0 0
-30 -20 -10 0 10 20 30 -30 -20 -10 0 10 20 30
ᝈए/(°) ᝈए/(°)
(a) 1 MHz (b) 1.8 MHz

1.0 D1=3 cm, 1.0 D2=20 cm,
CMUTԧ࠱ CMUTԧ࠱
0.8 1.0 MHz 0.8 1.0 MHz
1.8 MHz
1.8 MHz
ॆʷӑࣨϙ 0.6 ॆʷӑࣨϙ 0.6

0.4 0.4

0.2 0.2
0 0
-30 -20 -10 0 10 20 30 -30 -20 -10 0 10 20 30
ᝈए/(°) ᝈए/(°)
(c) 3 cm (d) 20 cm
图 9 不同频率、不同收发间距下 CMUT 发射指向性测试结果
Fig. 9 Test results of CMUT transmission directivity at different frequencies and different transmis-
sion/reception distances
根据声场互易定理可知，CMUT发射指向性与 与接收指向性一致，这验证了 CMUT 指向性互易
接收指向性一致。对矩形 CMUT 的接收指向性进 定理。

行测试，测试装置如图10所示。硅油介质中，CMUT 通过理论分析与实验验证，CMUT 作为换能
作为接收端固定在精密分度转盘的杆中央，并随 器，具备发射与接收超声波的能力，且发射指向性与
分度盘从−30°到30°进行自转扫描。压电换能器作 接收指向性一致。在实际应用中，需针对 CMUT 的
为发射端被固定在距离接收端正对面 20 cm 处，且 用途来进行结构设计。虽然 CUMT 发射声压能够
与 CMUT 保持中心平齐等高。CMUT 阵元由 20 V 通过微元数目的增多而增大，以解决单个微元发射
直流偏置电压激励。每旋转 1° 保存一组接收信号 声压弱的问题，但其接收指向性也随之增强，较窄的
数据。实验结果如图 11 所示。忽略实际操作中造 主瓣宽度不利于信息的采集。因此，CUMT 阵元结
成的误差，频率固定为 1 MHz 或 1.8 MHz，实测 构设计过程中需要综合考虑 CUMT 微元数目的选
CMUT 发射与 CMUT 接收主瓣宽度相同，即发射 取，这为CMUT结构设计提供了思路。