第1章 绪论 1
1.1超声波及其应用 1
1.2超声成像系统与超声换能器 3
1.3微机械超声换能器及其研究进展 5
1.3.1 PMUT及其研究进展 5
1.3.2 CMUT及其研究进展 15
1.4超声成像方法概述 28
1.5本书主要内容 31
参考文献 32
第2章 CMUT工作原理与理论基础 45
2.1 CMUT组成结构及工作原理 45
2.2 CMUT理论基础 47
2.2.1 CMUT薄膜振动理论 47
2.2.2平板电容模型 51
2.2.3辐射阻抗 54
2.2.4集中参数系统模型 55
2.3本章小结 59
参考文献 60
第3章 CMUT建模与特性分析 61
3.1概述 61
3.2 CMUT微元特性分析模型 62
3.2.1小信号等效电路模型 62
3.2.2有限元分析模型 63
3.2.3状态方程-Simulink模型 65
3.3 CMUT特性分析模型 69
3.3.1 CMUT分析模型 69
3.3.2互辐射阻抗 70
3.4 CMUT微元的有限元分析 72
3.4.1静态分析 72
3.4.2模态分析 73
3.4.3谐响应分析 75
3.5 CMUT微元的发射特性分析 75
3.5.1塌陷现象分析 76
3.5.2 VAC较小时发射特性分析 76
3.5.3 VAC较大时发射特性分析 81
3.5.4 VDC=0时发射特性分析 84
3.5.5交流信号周期个数对发射特性的影响分析 86
3.5.6 CMUT微元发射特性分析总结 90
3.6 CMUT微元的接收特性分析 91
3.7 CMUT特性分析 95
3.8本章小结 97
参考文献 98
第4章 CMUT阵列设计基础及其指向性分析 99
4.1概述 99
4.2指向性函数 100
4.2.1指向性函数的定义 100
4.2.2几种常见的简单换能器阵的指向性函数 101
4.2.3几种常见的复合换能器阵的指向性函数 102
4.3阵列设计参数对其指向性影响的直观分析 105
4.3.1阵元大小对阵列指向性的影响 106
4.3.2阵元数目对阵列指向性的影响 107
4.3.3阵元间距对阵列指向性的影响 107
4.3.4中心频率对阵列指向性的影响 108
4.4阵列指向性参量的分析与设计参数的选择 109
4.4.1主瓣、栅瓣与旁瓣的位置 109
4.4.2主瓣宽度及其影响因素 110
4.4.3消除栅瓣的条件 112
4.4.4旁瓣级及其影响因素 115
4.4.5 CMUT阵列设计参数的选择 116
4.5 CMUT和CMUT阵列的指向性分析 117
4.5.1 CMUT微元与CMUT的指向性分析 120
4.5.2一维CMUT线阵的指向性分析 121
4.5.3二维CMUT面阵的指向性分析 123
4.6旁瓣抑制方法 126
4.6.1常见的窗函数加权法 126
4.6.2 Dolph-ChebyChev加权法 127
4.6.3 CMUT线阵旁瓣抑制效果与分析 128
4.6.4 CMUT面阵旁瓣抑制效果与分析 129
4.7本章小结 130
参考文献 131
第5章 CMUT及其阵列的声场特性分析 132
5.1线性声学波动方程 132
5.2基于瑞利-索末菲积分的声场计算方法 133
5.2.1瑞利-索末菲积分公式 133
5.2.2近场特性与近场长度 135
5.2.3利用瑞利-索末菲积分公式计算CMUT及其阵列的声场 137
5.3基于角谱原理的声场计算方法 142
5.3.1角谱原理 142
5.3.2利用角谱原理计算CMUT及其阵列的声场 143
5.4基于空间冲激响应的声场计算方法 146
5.4.1基于空间冲激响应的声场模型 146
5.4.2利用空间冲激响应分析CMUT及其阵列的声场特性 148
5.4.3 CMUT阵列设计参数对脉冲回波响应的影响 151
5.5本章小结 153
参考文献 153
第6章 基于CMUT阵列的超声成像方法研究 155
6.1超声成像方法 155
6.1.1相控子阵成像方法 155
6.1.2有效孔径与子阵划分 157
6.1.3一维线阵的子阵划分与有效孔径 158
6.1.4二维面阵的子阵划分与有效孔径 161
6.1.5超声图像形成过程 170
6.2 CMUT阵列的成像效果分析 170
6.3本章小结 173
参考文献 173
第7章 CMUT及其阵列的性能测试与分析 174
7.1概述 174
7.2测试系统建立 175
7.3测试结果与分析 177
7.3.1小信号条件下CMUT发射性能测试与分析 177
7.3.2大信号条件下CMUT发射性能测试与分析 180
7.3.3 VDC=0时CMUT发射性能测试与分析 181
7.3.4 CMUT接收性能测试与分析 183
7.4本章小结 184
参考文献 185
第8章 总结与展望 186
附录 符号说明 188