基于磁致边界振动希尔伯特变换的电导率重建简化算法

磁声成像是一种结合电阻抗成像和超声成像优点的多物理场耦合新型成像方法,能实现组织的电阻抗对比成像,重建组织内部电阻抗分布的边界.本研究首先利用强指向性换能器来提高磁致振动检测的方向精确性,通过磁声声压导数实现边界振动声源法向声压的提取;然后从换能器的接收声压出发,利用三维空间的格林函数推导了一种基于磁致边界振动法向声压的电导率重建算法,明确了重建过程中声压及其导数的物理意义;最后建立了圆柱坐标下的柱状扫描系统,对双层偏心圆柱组织模型所产生的声压和换能器所接收到的磁声声波进行了模拟,利用Hilbert变换实现波簇包络定位和相位分析,恢复磁致边界振动声压,重建扫描面的二维电导率分布和模型截面具有较高的一致性,不但获得了组织的边界信息,还实现了组织内部电导率分布的精确重建.所提出的基于磁致边界振动希尔伯特变换的电阻抗重建简化算法为组织病变的电阻抗成像和磁声诊断提供了新方法.     

高强度聚焦超声治疗中基于电阻抗相对变化的组织温度监测技术

高强度聚焦超声(HIFU)通过聚焦超声的声热效应对肿瘤组织进行局部快速的热疗,是一种非侵入性的无创肿瘤治疗新技术,而其治疗过程中温度监测是HIFU治疗中剂量精准控制的关键.本文基于HIFU的声传播基本原理,建立了HIFU治疗和组织电阻抗测量的模型,数值模拟了治疗过程中焦域的声场、温度场和电导率分布,并通过电势和电流密度分布的变化,计算了模型的电阻抗的整体变化,结果表明在一个规定的HIFU声功率作用下,组织模型的电阻抗相对变化和治疗时间呈线性关系,其电阻抗相对变化率和HIFU声功率也呈线性关系.按照仿真条件,建立了HIFU治疗和电阻抗实时测量的联合实验系统,在不同声功率和治疗时间条件下,对组织模型的电阻抗相对变化进行了测量,实验结果和理论仿真结果基本一致.研究结果证明用电阻抗相对变化进行HIFU治疗中焦域温度监控的可行性,为其疗效检测和剂量控制提供了新方法.     

矩形压电陶瓷超声换能器的弯曲振动

利用等效弹性法分析了矩形陶瓷超声换能器在不同条件下的弯曲振动,分别对四边简支条件下的特征频率和边界自由与边界固定条件下的特征频率进行曲线拟合,得出矩形压电陶瓷超声换能器在边界自由与边界固定条件下弯曲振动特征频率的拟合公式。利用有限元分析软件Comsol对得到的拟合公式进行验证,验证结果表明边界自由与边界固定条件下矩形压电陶瓷超声换能器的特征频率与拟合公式计算出的特征频率有很好的一致性。     

MDEIT中电流密度成像替代电导率成像的可行性分析

针对新型磁探测电阻抗成像技术的正问题,利用有限元方法求解得到目标体内部的电压和电流密度分布,然后根据Biot-Savart定律获得目标体外部的磁感应强度数据,并且分析了有限元方法计算正问题的精度.结果表明,其足以用于磁探测电阻抗成像的电导率图像重建.在此基础上,通过仿真实验发现环形电极模式避免了电流的扩散效应,远离电极部分的z方向电流密度图像与电导率图像一致,以电流密度成像替代电导率成像,使得磁探测电阻抗成像简化为磁探测电流密度成像,缩短了数据测量时间和图像重建时间,为快速成像奠定了基础.     

标准超声换能器辐射电导的电学法测量

基于串联共振等效电路得到的超声功率表达式,阐述了用4192A型阻抗分析仪测量标准超声换能器辐射电导的方法.将电学法测量的辐射电导与基于辐射压力法的毫瓦级超声功率国家基准装置的测量结果进行了比较,结果表明:标称频率为2.5、5.0 MHz的石英晶体标准换能器的辐射电导的测量误差分别为0.35%和2.11%,在电压表误差≤1%的情况下,可以保证换能器辐射的超声声功率误差≤3%.实验研究证实该方法是一种简便、准确可靠的方法,不但可以对使用辐射压力法所得到的结果进行比对,也可以作为新的计量基准或标准使用.     

标准换能器辐射电导的电学法测量研究

本文基于串联共振等效电路得到的声功率表达式,阐述了用4192A型阻抗分析仪测量标准超声换能器辐射电导Gr的方法。将电学法测量的辐射电导与辐射压力法的毫瓦级超声功率国家基准装置所测量结果进行比较,结果表明,标称频率为2.5MHz、5MHz的石英晶体标准换能器的辐射电导的误差分别为0.35%和2.11%,在电压表的误差小于或等于1%的情况下,可以保证换能器辐射的超声声功率的误差≤5%。实验研究证实该方法是一种简便、准确可靠的方法,不但可以对辐射压力法所测换能器声功率的标准换能器进行比对检验,也可以作为新的计量基准或标准使用。     

热超声封装高频换能器的动力学优化设计

为提高热超声封装效率、降低封装温度,研究了高频超声换能器的动力学优化设计．基于一维振动和波动理论,建立了换能器的解析模型,得到了压电振子、指数形聚能器和劈刀的波动方程．借助有限元分析软件ANSYS参数化建模,分别对压电振子和聚能器进行优化设计．考虑材料、形状和尺寸对其振动特性的影响,得到了换能器最优模型．通过阻抗分析仪和多普勒激光测振仪对换能器进行电谐振和机械谐振测试．实验结果表明,该换能器在其工作频率附近不存在非纵振模态和其它寄生的振动形式,从而方便了超声信号发生器设计.     

电流注入式磁声耦合成像研究综述

电流注入式磁声耦合成像技术是一种新型的生物组织电导率参数检测方法,具有电阻抗成像技术高对比度和超声成像技术高分辨率的优点。本文对MAT-CI技术进行了详细阐述,并对该成像技术的研究方向进行了展望。     

基于高场3T磁共振的人体组织电特性成像

结合现代的影像学方法,提出了一种基于磁共振成像的生物组织电特性成像方法.根据磁共振图像扫描信号中包含目标体的电导率和介电常数等信息这一原理,从法拉第定律和安培定律出发,推导出了激励射频磁场与电特性之间的关系.利用基于双角度法的自旋回波扫描序列,对志愿者头部进行了高场3 T下的磁共振成像实验,初步得到了质子密度像、射频场映像以及相应的电特性像.改进的算法中引入梯度项后,图像上不同组织内部的电特性变化更加明显.与传统电阻抗成像以及常规磁共振成像相比,本文的新型磁共振电特性成像兼具高对比度和高分辨率的特点,作为一种功能成像,有望在相关重大疾病的预防和诊断方面发挥作用.      

基于磁感应的呼吸信号测量的可行性实验

基于磁感应测量生物阻抗变化的原理,提出了一种通过测量胸腔电导率变化来检测呼吸信号的方法.首先根据呼吸运动的特点,假定人体胸腔为电导率均匀的球体,建立磁感应测量呼吸信号的理论模型;通过仿真研究,分析阻抗与胸腔容积变化的关系,以及线圈传感器半径对测量结果的影响;最后通过实验研究探讨线圈传感器参数、盐溶液电导率和容积、测量距离、呼吸行为对测量电路的影响.实验结果表明,基于磁感应的呼吸信号测量为非接触式、长期的呼吸信号测量提供一种解决方案,具有进一步研究价值.     

一种新型级联式高强度功率超声压电陶瓷换能器

基于传统夹心式压电陶瓷换能器,提出了一种新型级联式高强度功率超声换能器。该换能器由多个半波长夹心式压电陶瓷换能器通过电端并联及机械端串联而成。基于一维理论,得出了换能器的六端机电等效电路,分析了换能器的电阻抗频率特性,并给出换能器的共振频率方程。研究了不同振动模态下,换能器的共振频率、反共振频率以及有效机电耦合系数与压电陶瓷晶堆间距的依赖关系。实验制造2个级联式功率超声换能器,并对其共振频率和有效机电耦合系数进行了测试,实验结果与理论分析相吻合。此类级联式高强度功率超声换能器可望在超声波液体处理、超声波加工等大功率超声技术中获得应用。     

声衰减系数中的相位对消假象

本文首先分析了测量声衰减的信号接收装置。在此基础上,用直径0.06、0.5和1.4cm的三种压电接收换能器,在1—6MHz的频率范围内,测量超声在猪的心、肝、肌肉和脂肪组织中的声衰减系数,以研究这类换能器的相位对消效应对声衰减值造成的假象。经过实验证明:在测得的声衰减系数值中,确实潜在着压电换能器相位对消效应造成的假象;此种效应对声衰减数据的贡献大小,与接收换能器的面积大小相对应,同理论分析相一致;当使用小面积的换能器时,衰减系数与频率之间接近为线性关系。因此,要提高测量组织声衰减的精度,应采用小面积的压电换能器,或聚焦换能器。如果选用电声换能器、辐射力法和热学方法测量,可完全避免相位对消效应造成的假象。     

基于扩展BVD模型的压电换能器电匹配研究

针对提高无损检测压电换能器灵敏度问题,提出了一种电阻抗匹配网络的设计方法。首先通过压电换能器电导纳实验曲线建立压电超声换能器的BVD模型等效电路。根据压电换能器电导纳的实验值对所建立的等效电路进行参数识别,确定等效电路各元件的值;并对参数识别的结果进行理论验证。同时与实验结果进行比对,吻合较好,表明该参数识别的方法可信度较高。在建立等效电路的基础上,采用Smith圆图,基于电匹配理论,设计压电换能器匹配电路;并对匹配后的压电换能器进行理论分析和实验验证。结果表明该匹配电路可将压电换能器的灵敏度提高约三倍。     

超声临界折射纵波测量应力的温度影响

超声临界折射纵波(LCR波)法是无损检测工作状态下结构应力的有效方法.超声LCR波法是敏感测量方法,温度直接影响超声波的传播速度,也会引起超声换能器的尺寸变化.根据超声波测量应力的基础理论-声弹性理论,分析声弹性系数和零应力下飞行时间与温度的定量关系,得到超声波测量应力的温度补偿公式,通过试验测量不同温度下超声LCR波...     

多频扭转夹心式换能器研究

研究了一种可以工作在多个频率段的扭转夹心式换能器．该换能器由前后金属盖板、两组周向极化压电晶堆及电负载组成．分析了接电负载压电圆管的扭转振动特性，推出了其机电等效电路和共振频率方程．利用等效电路方法，给出了换能器的共振频率方程，并得到了换能器的共振频率与负载阻抗曲线，为此类换能器的设计提供了理论依据．该换能器可望应用于超声焊接、超声加工及超声马达等领域．     

磁电复合振子PbZr_(0.48)Ti_(0.52)O_3/Tb_(0.3)Dy_(0.7)Fe_(1.92)的电容型磁阻抗效应

谐振频率及阻抗匹配是压电换能器中十分重要的参数.基于压电陶瓷圆环Pb Zr_(0.48)Ti_(0.52)O_3(PZT)和磁致伸缩材料铽镝铁Tb_(0.3)Dy_(0.7)Fe_(1.92)(TDF)构成"环-环"磁电复合振子,实验研究磁场作用下,由磁电复合振子的有效介电常数变化引起的电容型磁阻抗以及磁控谐振频率偏移效应.实验结果显示,谐振频率和反谐振频率下的磁阻抗可达18%、32%;当磁场为800 m T时,谐振及反谐振频率的最大偏移量约为9 k Hz.利用复合材料的磁-力-电耦合效应,对电容型磁阻抗及磁控谐振频率偏移进行了理论分析.本研究为解决压电换能器谐振频率的漂移问题及阻抗匹配提供了实验及理论基础.     

基于电塑性-超声振动耦合作用的钛合金车削实验研究

基于电塑性-超声振动耦合作用的钛合金车削技术,分别设计了钛合金普通车削实验、超声振动辅助车削实验及电塑性-超声振动耦合辅助车削实验。结果表明:与普通车削相比,超声振动辅助车削切削力降低,表面质量改善不明显,电塑性-超声振动耦合辅助车削的切削力在超声振动辅助车削的基础上进一步降低,并且表面质量较前两种方式有了明显的改善。分析了放电电压及放电频率对电塑性-超声振动耦合辅助车削切削力及表面质量的影响,发现选取较大的放电电压及较高的放电频率,可降低切削力并获得较好的表面质量。     

气介式弯曲振动功率超声复合换能器的振动特性研究

对气介式弯曲振动大功率超声复合换能器的振动特性进行了研究 .该复合换能器由夹心式功率超声纵向换能器及弯曲振动的薄圆盘辐射器组成 .对弯曲圆盘在不同边界条件下的共振特性进行了分析 ,给出了辐射器的共振频率设计方程、等效质量和等效弹性系数 ;同时研究了气介式复合振动换能器的机电等效电路 ,分析了复合换能器的整体频率方程 .实验结果表明 ,辐射器共振频率的计算值与测量值符合较好     

薄壁预应力管复合压电换能器径向振动分析

对带有薄壁预应力管外壳的径向复合压电换能器径向振动进行了研究.基于弹性力学理论和机电类比原理,建立了复合管压电超声换能器的径向振动机电类比等效电路,并得出其共振频率方程、反共振频率方程及有效机电耦合系数的解析式.探讨了换能器共振频率与其外部预应力管内外半径比之间的关系.实验结果表明:利用本文理论算得的复合换能器径向共振频率与实验测量结果相吻合,误差在5%以内.     

利用角谱方法分析超声换换能器声场

叙述了角谱的基概念和利用角谱方法分析超声换能器声场的基本原理和具体实现，对平面活塞换能器和聚焦换能器在均匀媒体中的声场应用ＡＳＭ进行了计算。利用一磁精密三维扫描系统和针状水听器对 换能器的声场进行了实验测量，实验值与ＡＳＭ计算的结果吻合得较好。