COSL超声相控阵列声场分布与聚焦深度仿真

最新推荐文章于 2025-12-16 23:45:38 发布

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cosmol超声相控阵列声场分布和聚焦深度仿真（可根据需求修改）

超声相控阵列这玩意儿在工业检测和医疗领域用得贼多，核心就是通过控制不同阵元的发射时序实现声波聚焦。今天咱们用COMSOL搞个简单的二维仿真，看看怎么让声场在特定深度聚成一坨，顺便分析下代码里埋了哪些坑。

先搭个几何模型。假设阵列有8个阵元，每个宽度1mm，间距0.2mm。COMSOL的Java API写起来是这样的：

double elementWidth = 1e-3; 
int numElements = 8;
for (int i=0; i<numElements; i++) {
    double xStart = i*(elementWidth+0.2e-3);
    model.geom("geom1").feature().create("rect"+i, "Rectangle");
    model.geom("geom1").feature("rect"+i).set("size", new String[]{elementWidth+"", "5e-3"});
    model.geom("geom1").feature("rect"+i").set("pos", new String[]{xStart+"", "0"});
}

这段循环建了八个矩形阵元，重点在xStart的计算——相邻阵元之间留了0.2mm间隙。别小看这个间距设置，间距太大容易产生旁瓣，太小又会耦合过强。实际项目中得拿实测数据反推这个值。

聚焦控制的关键在相位延迟计算。假设要在深度20mm处聚焦，每个阵元到焦点的距离差决定延迟时间。COMSOL的压力声学模块里设置边界条件时：

for (int n=0; n<numElements; n++) {
    double xn = (n*(elementWidth+0.2e-3)) + elementWidth/2;
    double distance = Math.sqrt((xn - focusX)*(xn - focusX) + focusZ*focusZ);
    double phaseDelay = (maxDistance - distance)/soundSpeed;
    model.physics("acpr").feature("bnd"+n).set("V", "1[V]*exp(-i*2*pi*freq*"+phaseDelay+")");
}

这里用了复数形式表示相位延迟，i是虚数单位。注意maxDistance是距离最远阵元到焦点的距离，确保所有延迟量为正值。有个坑是频率freq的单位要和声速soundSpeed匹配，比如声速用m/s时频率得用Hz。

求解器配置建议用频域研究，步长别瞎设。有次仿真结果出现马赛克状伪影，后来发现是网格在近场区域划分太粗：

model.mesh("mesh1").autoMeshSize(4); //别超过5级，不然算到下周
model.study("std1").feature("freq").set("plist", "500000"); //500kHz

网格精度等级4是经验值，等级太高虽然精度好但内存容易炸。频率参数别用扫频模式，单频计算更快。想看不同深度聚焦效果的话，改focusZ重新跑一遍就行。

后处理提取声压分布时，建议截取焦平面附近的数据：

model.result().dataset("cut1").set("data", "cpl1");
model.result().dataset("cut1").set("space", "cutline2d");
model.result().dataset("cut1").set("genpoints", new int[]{100, 20});

这样生成100x20的网格点阵，重点看声压幅值的横向分布。仿真结果显示，当阵元数增加到16个时，-6dB焦斑尺寸缩小了38%，但旁瓣电平也上升了5dB。所以实际设计要在聚焦锐度和旁瓣干扰之间做trade-off。