k-Wave 工具箱学习-3定义声学介质

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分类专栏： k-Wave教程文章标签： matlab 学习

于 2023-06-26 16:51:38 首次发布

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文章介绍了如何定义声学介质的属性，包括声速、密度、非线性参数、幂律吸收系数和吸收指数。这些参数在3D建模中用于模拟均匀和异质介质的行为。幂律吸收模型与介质的吸收和色散相关，而介质参数可以从CT扫描或图像中获取。此外，文章还提到了k-Wave工具箱在光声成像中的应用，以及如何通过控制参数来处理吸收和色散项。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

3.3 定义声学介质

medium定义每个网格点处的介质的材料属性。可以定义五种材料属性：

声速 medium.sound_speed、密度 medium.density、非线性参数 medium.BonA、幂律吸收系数或前置因子 medium.alpha_coeff 、幂律吸收指数 medium.alpha_power

medium.sound_speed	介质内的声速分布[m/s]
medium.density	介质内的环境密度分布[kg/m3]
medium.BonA	非线性参数
medium.alpha_coeff	幂律吸收前置因子[dB/(MHzy cm)]
medium.alpha_power	幂律吸收指数
medium.sound_speed_ref	k空间算子中使用的参考声速[m/s]
medium.alpha_mode	可选输入，强制排除状态方程中的吸收或色散项；有效输入为“no_absorbation”或“no_dispersion”
medium.alpha_sign	二元数组，用于控制压力-密度关系中的吸收和色散项的符号。
media.alpha_filter	频域滤波器应用于压力-密度中的吸收和色散项关系

幂律吸收系数必须设置为标量。其他每个材料属性可以定义为标量（如果介质属性是均匀的）或矩阵（如果介质属性是异质的）。如果参数是异构的，则输入矩阵必须与计算网格的大小相同，例如：

% 为 3D 介质创建异质声速。可以设置下面的layer，按自己需要设置

medium.sound_speed = 1500*ones(kgrid.Nx, kgrid.Ny, kgrid.Nz);

medium.sound_speed(1:layer_size, :, :) = 1600;

在仿真中，参数medium.sound_speed 必须定义。对于均匀和无损介质中的线性模拟，可以省略参数 medium.density，否则也必须定义。其余的介质字段定义是可选的。如果未设置非线性参数medium.BonA，则假定模拟是线性的，并求解线性控制方程。同样，如果未设置吸收参数medium.alpha_coeff和medium.alpha_power，则假定模拟是无损的。

吸收参数对应于 α = α0f y 形式的幂律吸收模型，其中 α0 ≡ medium.alpha_coeff 且 y ≡ medium.alpha_power。 medium.alpha_coeff 的参数必须以 dB MHz−y cm−1 为单位给出。可以使用函数 neper2db 和 db2neper 在 Np (rad/s)−y m−1 单和dB MHz−y cm−1之间进行转换（两个函数为k-Wave工具箱内的函数）。幂律吸收指数 media.alpha_power 的输入必须介于 0 和 3 之间且不等于 1。此限制是由于通过 Kramers-Kronig 关系导出色散项的方式所致。如果需要使用medium.alpha_power = 1 对幂律吸收进行建模，并且对色散进行建模并不重要，则可以通过设置medium.alpha_mode = ‘no_dispersion’来关闭色散项。或者，可以使用接近1的medium.alpha_power值。

对于材料参数输入的值没有其他限制，只是它们必须是实数。例如，每个网格点的声速和密度可以使用函数hounsfield2density从CT扫描中导出，或者可以使用loadImage从图像中加载它们。

除了材料定义之外，用户还可以设置许多控制参数。如k空间算子κ中使用的参考声速cref。可以使用medium.sound_speed_ref 来定义。如果未设置，则默认为介质内的最大声速。表中显示的其余吸收参数允许过滤或反转压力-密度关系内的吸收和色散项。这些参数主要用于光声图像重建，其中吸收项在重建过程中被反转，以补偿实验数据中声吸收的影响。

References

[1] B. E. Treeby and B. T. Cox, "k-Wave: MATLAB toolbox for the simulation and reconstruction of photoacoustic wave-fields," J. Biomed. Opt., vol. 15, no. 2, p. 021314, 2010. download pdf

[2] B. E. Treeby, J. Jaros, A. P. Rendell, and B. T. Cox, "Modeling nonlinear ultrasound propagation in heterogeneous media with power law absorption using a k-space pseudospectral method," J. Acoust. Soc. Am., vol. 131, no. 6, pp. 4324-4336, 2012. download pdf

[3] B. E. Treeby and B. T. Cox, "Modeling power law absorption and dispersion for acoustic propagation using the fractional Laplacian," J. Acoust. Soc. Am., vol. 127, no. 5, pp. 2741-2748, 2010. download pdf (see also erratum)