二维超声阵列换能器声束控制技术的仿真研究

　　近年来,随着超声换能器晶片材料的更新和阵列结构设计、制作、连接技术的发展,二维(two-dimen-sional,2D)超声换能器阵列的研究备受关注[1-3]。2D超声换能器阵列(图1(b))可以产生对称聚焦的超声束,实现多平面成像,所以,在三维超声成像、高强度聚焦超声热疗、工业无损检测等领域显示出了重要的应用价值。对于三维、四维超声成像而言,实时动态成像和高质量的图像水平是重要的技术指标。其中,多通道并行处理与显示技术和高性能专用集成运算器的应用,已经使实时动态的成像要求不再是难题。超声图像质量的提高则与声束形成技术密切相关,在阵列式换能器的超声成像系统中,可以采用电子聚焦、幅度变迹和声束激励等技术形成指向性良好的声束[4]。20世纪90年代初,声束形成技术完成了由模拟向数字的转变,DSP、FPGA和ASIC等高速度集成芯片使数字声束形成技术的实现更加容易、便捷。

　　与常规超声线性阵列换能器(图1(a))相比,2D超声阵列换能器的阵元数目和可供选择的发射与接收通道组合方案更多,声束控制技术也更加灵活。长期以来,相关学者一直在不断研究提高2D超声换能器阵列声束性能的方法和途径逐渐形成了两种思路。一种是从2D超声换能器阵列结构设计本身考虑,通过研究2D阵列的阵元数量、间距、几何形状影响声束的机理,提出改进方案。比如:TURNBULL等根据阵元数量、尺寸、间距与脉冲2D超声换能器阵列声束聚焦与激励的关系,指出阵元数量与栅瓣影响之间的折衷规律,并就阵元减少方案和阵元间的干扰进行了讨论[5];ULLATE L G等提出利用单圈分割圆环阵列的非周期性结构来降低栅瓣的影响,阵元尺寸可以比矩形阵元大,有利于提高信噪比[6];KIRKEBO等则提出采用弯曲阵元的方法以降低阵元分布的周期性,进而改进阵列声束性能[7]。另一种则是从声束控制技术的角度出发,以线性声学理论为基础,通过改变阵元的激励时延进行声束聚焦,或者利用平滑窗函数对阵元表面均匀振动速度进行幅度变迹来改进声束性能。比如,HEDRICK等提出分别控制相控阵列每个晶片的发射和接收进行声束发射聚焦和声束激励,并讨论了该方法的优点和不足[8]。本文以这两种思路为基础,将不同声束控制技术及其组合应用于不同形状的2D超声换能器阵列,通过仿真实验测试了声束控制效果,并对实验结果进行分析总结。

　　1 2D超声换能器阵列的声束形成原理

　　根据实际使用场合的不同,2D超声换能器阵列可以设计成不同的几何形状,如2D矩形阵列、圆环阵列、圆环分割阵列等。假设超声波在各向同性、均匀和无耗散损失的介质中传播,则嵌于无限大硬背衬材料的平面换能器形成的声压可以表示为瑞利积分[9]: