COMSOL超声换能器聚焦声场仿真

超声聚焦

超声聚焦广泛应用于各类工业设备与技术中，例如我们熟悉的无损检测（NDT）和医学成像。高强度聚焦超声（HIFU）是此技术的一项临床应用，它利用探头将大部分能量集中到目标组织区域，使组织发生凝固性坏死。本篇博客文章将重点对超声聚焦的仿真过程进行探讨。根据不同的换能器设计，超声波有几种聚焦方式。COMSOL Multiphysics 软件是仿真换能器的有力工具。

换能器发射的信号有两种聚焦方式：

一、曲阵换能器，修改换能器曲率半径使其等于焦距

对于超声换能器（上图）几个重要因素包括：

• 近场距离 N，计算公式为：$$N=D^{2}f/4c$$D 是换能器直径
  f 是频率
  c 是介质中的声速
• 焦距 F，即换能器与相当于目标区的聚焦点之间的距离
• 场深或聚焦区，它表示 -6dB 信号的幅度与最高幅度之间的差距，计算公式为：$$F_z=2F^2/(N+F/2)$$

对于此种聚焦方式，可以参考 COMSOL 官网案例
组织体模中的聚焦超声发热

二、线阵换能器，引入相位延迟

相位延迟聚焦探头

在压电元件阵列中加入若干换能器，利用相位延迟控制每个元件的电压输入。针对线性阵列，一个有效的方法是计算每个单元的中心 i 与焦点之间的距离 di，并将相位应用于方程：

激励波形

设置正弦波×高斯脉冲等到激励波形f(t)，作为激励条件。各个换能器阵元的激励波形一致，但存在激励时间差f(t-dt)

时间差

根据聚焦点位置以及各换能器阵元到达聚焦处的时间计算声程差dL
时间差dt=声程差dL÷介质声速c

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