10、超声成像中的换能器、波束与聚焦原理

超声成像中的换能器、波束与聚焦原理

1 换能器性能评估与实验

1.1 换能器性能指标评估

学生们学习如何在时域和频域中使用 -6 dB 和 -20 dB 水平来估计换能器的性能。同时，脉冲/频谱输出模式展示了换能器的脉冲响应和频谱如何随中心频率、电感调谐以及物理匹配层设计而变化。该响应在时域和频域中呈现，体现了傅里叶变换关系。

1.2 换能器模拟器的应用

换能器模拟器能够高保真地模拟 Verasonics L11 - 5v 换能器。学生们可以创建新的换能器设计，检查输入阻抗和损耗曲线，并根据设计目标量化性能。

1.3 Vantage 系统实验

Vantage 系统用于研究类似于换能器结构的分层结构。学生们可以使用不同材料构建被动声学堆栈，观察反射系数随材料、信号类型和频率的变化。具体操作步骤如下：
1. 测量 A 线法向反射，利用模拟器根据声速 (c)、声阻抗 (Z) 和厚度 (d) 估计单层和双层情况下的相对反射系数，并与测量结果进行比较。
2. 观察堆栈之间的混响信号。
3. 用锌金属薄板模拟压电陶瓷层，用塑料、石墨等低机械阻抗材料作为匹配层。通过添加四分之一波长塑料层，可在一定程度上“匹配”玻璃显微镜载玻片的阻抗。
4. 通过测量反射系数来量化匹配层和共振层之间机械阻抗匹配的有效性。
5. 使用吸收背衬材料来抑制共振层中的混响，观察 B 模式图像和 A 线图中响应“振铃”的缩短。
6. 使用短脉冲发射信号测量声学堆栈的脉冲响应。

2 波束形成与衍射

2.1 衍射现象

在超声中，