目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 超聲波及其應(yīng)用 1
1.2 超聲成像系統(tǒng)與超聲換能器 3
1.3 微機(jī)械超聲換能器及其研究進(jìn)展 5
1.3.1 PMUT及其研究進(jìn)展 5
1.3.2 CMUT及其研究進(jìn)展 15
1.4 超聲成像方法概述 28
1.5 本書主要內(nèi)容 31
參考文獻(xiàn) 32
第2章 CMUT工作原理與理論基礎(chǔ) 45
2.1 CMUT組成結(jié)構(gòu)及工作原理 45
2.2 CMUT理論基礎(chǔ) 47
2.2.1 CMUT薄膜振動(dòng)理論 47
2.2.2 平板電容模型 51
2.2.3 輻射阻抗 54
2.2.4 集中參數(shù)系統(tǒng)模型 55
2.3 本章小結(jié) 59
參考文獻(xiàn) 60
第3章 CMUT建模與特性分析 61
3.1 概述 61
3.2 CMUT微元特性分析模型 62
3.2.1 小信號(hào)等效電路模型 62
3.2.2 有限元分析模型 63
3.2.3 狀態(tài)方程-Simulink模型 65
3.3 CMUT特性分析模型 69
3.3.1 CMUT分析模型 69
3.3.2 互輻射阻抗 70
3.4 CMUT微元的有限元分析 72
3.4.1 靜態(tài)分析 72
3.4.2 模態(tài)分析 73
3.4.3 諧響應(yīng)分析 75
3.5 CMUT微元的發(fā)射特性分析 75
3.5.1 塌陷現(xiàn)象分析 76
3.5.2 VAC較小時(shí)發(fā)射特性分析 76
3.5.3 VAC較大時(shí)發(fā)射特性分析 81
3.5.4 VDC=0時(shí)發(fā)射特性分析 84
3.5.5 交流信號(hào)周期個(gè)數(shù)對(duì)發(fā)射特性的影響分析 86
3.5.6 CMUT微元發(fā)射特性分析總結(jié) 90
3.6 CMUT微元的接收特性分析 91
3.7 CMUT特性分析 95
3.8 本章小結(jié) 97
參考文獻(xiàn) 98
第4章 CMUT陣列設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及其指向性分析 99
4.1 概述 99
4.2 指向性函數(shù) 100
4.2.1 指向性函數(shù)的定義 100
4.2.2 幾種常見的簡(jiǎn)單換能器陣的指向性函數(shù) 101
4.2.3 幾種常見的復(fù)合換能器陣的指向性函數(shù) 102
4.3 陣列設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其指向性影響的直觀分析 105
4.3.1 陣元大小對(duì)陣列指向性的影響 106
4.3.2 陣元數(shù)目對(duì)陣列指向性的影響 107
4.3.3 陣元間距對(duì)陣列指向性的影響 107
4.3.4 中心頻率對(duì)陣列指向性的影響 108
4.4 陣列指向性參量的分析與設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇 109
4.4.1 主瓣、柵瓣與旁瓣的位置 109
4.4.2 主瓣寬度及其影響因素 110
4.4.3 消除柵瓣的條件 112
4.4.4 旁瓣級(jí)及其影響因素 115
4.4.5 CMUT陣列設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇 116
4.5 CMUT和CMUT陣列的指向性分析 117
4.5.1 CMUT微元與CMUT的指向性分析 120
4.5.2 一維CMUT線陣的指向性分析 121
4.5.3 二維CMUT面陣的指向性分析 123
4.6 旁瓣抑制方法 126
4.6.1 常見的窗函數(shù)加權(quán)法 126
4.6.2 Dolph-Chebychev加權(quán)法 127
4.6.3 CMUT線陣旁瓣抑制效果與分析 128
4.6.4 CMUT面陣旁瓣抑制效果與分析 129
4.7 本章小結(jié) 130
參考文獻(xiàn) 131
第5章 CMUT及其陣列的聲場(chǎng)特性分析 132
5.1 線性聲學(xué)波動(dòng)方程 132
5.2 基于瑞利-索末菲積分的聲場(chǎng)計(jì)算方法 133
5.2.1 瑞利-索末菲積分公式 133
5.2.2 近場(chǎng)特性與近場(chǎng)長(zhǎng)度 135
5.2.3 利用瑞利-索末菲積分公式計(jì)算CMUT及其陣列的聲場(chǎng) 137
5.3 基于角譜原理的聲場(chǎng)計(jì)算方法 142
5.3.1 角譜原理 142
5.3.2 利用角譜原理計(jì)算CMUT及其陣列的聲場(chǎng) 143
5.4 基于空間沖激響應(yīng)的聲場(chǎng)計(jì)算方法 146
5.4.1 基于空間沖激響應(yīng)的聲場(chǎng)模型 146
5.4.2 利用空間沖激響應(yīng)分析CMUT及其陣列的聲場(chǎng)特性 148
5.4.3 CMUT陣列設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)脈沖回波響應(yīng)的影響 151
5.5 本章小結(jié) 153
參考文獻(xiàn) 153
第6章 基于CMUT陣列的超聲成像方法研究 155
6.1 超聲成像方法 155
6.1.1 相控子陣成像方法 155
6.1.2 有效孔徑與子陣劃分 157
6.1.3 一維線陣的子陣劃分與有效孔徑 158
6.1.4 二維面陣的子陣劃分與有效孔徑 161
6.1.5 超聲圖像形成過程 170
6.2 CMUT陣列的成像效果分析 170
6.3 本章小結(jié) 173
參考文獻(xiàn) 173
第7章 CMUT及其陣列的性能測(cè)試與分析 174
7.1 概述 174
7.2 測(cè)試系統(tǒng)建立 175
7.3 測(cè)試結(jié)果與分析 177
7.3.1 小信號(hào)條件下CMUT發(fā)射性能測(cè)試與分析 177
7.3.2 大信號(hào)條件下CMUT發(fā)射性能測(cè)試與分析 180
7.3.3 VDC=0時(shí)CMUT發(fā)射性能測(cè)試與分析 181
7.3.4 CMUT接收性能測(cè)試與分析 183
7.4 本章小結(jié) 184
參考文獻(xiàn) 185
第8章 總結(jié)與展望 186
附錄符號(hào)說明 188
彩圖