Page 122 - 《应用声学》2025年第1期

118 2025 年 1 月

声压值。结果表明不同焦距情况下焦点的横向 利用图 4 所搭建的实验平台，将换能器放置在
和轴向分布一致性较好，焦点的横向和轴向尺寸 去离子水中，并采用定制的精密升降控制装置来调
(Full width at half maxima, FWHM) 平均值分别 整换能器的高度，通过换能器接收到的水平液面回
是 0.378 mm 和 5.04 mm，CV 值 (变异系数，即标准 波情况来调整液面高度在设计焦距范围内。在本工
差与平均值之比) 分别是 3.97% 和 9.99%。此外，不 作中根据实际应用需求主要对 28∼32 mm 之间的
同焦距情况下焦点处声压幅度也基本一致，声压平 焦距进行了液滴喷射实验，通过改变信号延时改变
均值为 548.333 kPa，CV 值为 4.52%。以上结果表 换能器焦距，并通过改变输入电压的幅值来控制液
明，研制的五通道超声信号发射系统及搭建的移液 滴喷射的状态。稳定喷射出液滴的发射脉冲频率为
平台在设计焦距范围内具有良好的聚焦效果且焦 10 MHz，脉冲宽为 800 µs，激励电压峰峰值范围为
点尺寸和声压幅度一致性较好，能够满足超声移液 22∼25 V pp 。将高速相机分辨率调整为 (1258×512)
技术的需求。 pixel，帧率设置为 2018 Hz，每张采集图像之间的
时间间隔为 0.5 ms。图 8 显示了 3 个不同焦距下的
600
F=28 mm 液滴喷射图片，采用基于图像的液滴体积计算方
F=30 mm
F=32 mm 法 [11] ，通过算得到各个焦距下喷射液滴的直径以及
体积，实验发现，不同焦距下的喷射液滴体积有较好
ܦԍ/kPa 的一致性，液滴喷射的高度和速度等可以通过调整

输入电压幅值和脉冲延时宽度进行调整。

0
-2 -1 0 1 2
x/mm
(a) ഷՔܦԍѬ࣋జጳ
(a) F=28 mm
600
F=28 mm
F=30 mm
F=32 mm
ܦԍ/kPa (b) F=30 mm

60
14.0 21.5 29.0 36.5 44.0
z/mm
(b) ᣉՔܦԍѬ࣋జጳ (c) F=32 mm

图 7 不同焦距下的焦点区域声压分布曲线 图 8 不同焦距下的液滴喷射实验图
Fig. 7 Lateral and axial sound pressure distribution Fig. 8 The acoustic droplet ejection of different
curves at different focal focal length

表 2 不同焦距下焦点轴向、横向尺寸及焦点声压值 3 结论与讨论
Table 2 FWHM diameter and FWHM depth
of focus and acoustic pressure at focal length 本文研制了基于 FPGA 的五通道超声信号发
射系统，并搭建了一套基于环阵超声的高精度微量
焦距/mm F = 28 F = 30 F = 32 平均 CV/%
焦点横向尺寸/mm 0.387 0.361 0.387 0.378 3.97 移液平台，实现了动态焦距调节和不同高度液面液
焦点轴向尺寸/mm 4.502 5.125 5.500 5.040 9.99 滴的喷射。相比于传统基于单阵元聚焦换能器的超
焦点声压/kPa 566 559 520 548.333 4.52
声移液技术，电子动态聚焦方式的环阵超声移液技