11、超声束形成与聚焦：原理、模拟与实验探究

超声束形成与聚焦：原理、模拟与实验探究

在超声领域，波束的形成与聚焦是至关重要的概念，它们对于超声成像的质量和效果起着关键作用。本文将深入探讨超声束的相关知识，包括未加窗孔径的波束特性、场模拟器的使用以及阵列波束形成的原理和模拟。

未加窗孔径的波束特性

对于未加窗孔径，其空间傅里叶变换会将一个域中的变量 (x_0) 转换为另一个域中的变量 ((x / \lambda z))。具体来说，压力 (p(x, z)) 的表达式为：
[p(x, z) = \sqrt{\frac{ip_0k}{2\pi z}} L_x \text{sinc}\left(L_x \frac{x}{\lambda z}\right)]
这个方程可以从多个角度进行解释。波束图可以相对于波长缩放变量 (\hat{x} = x / \lambda) 绘制，也可以从波长缩放孔径 (\hat{L}_x) 的角度来考虑。当在焦距距离处绘制波束图时，只需将 (z = F) 代入上述方程。

对于未聚焦的场，存在“近场”和“远场”之分。过渡距离 (z_{max}) 大约为：
[z_{max} = \frac{L_x^2}{\pi\lambda}]
例如，对于一个 40 个波长的孔径，过渡发生在 (509\lambda) 处。在远场中，波束会随着 (z) 的增加而继续扩展宽度并降低幅度。而对于聚焦波束，不存在近场和远场的概念，而是有一个相对较窄的聚焦区域，之前是预聚焦区域，之后是后聚焦区域。

场模拟器

场模拟器控制面板

场模拟器是目前讨论的模拟器中最复杂的一个，因此有必要回顾其变量和设置。多个输入变量控制组合产生输出变量，这