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完美(中国)体育-2024医疗器械展览会Medtec浅谈超声超构换能器的蓬勃发展

2025-10-16 12:35:51


2024-08-06

提崇高高贵声体系于原位、及时事情中的合用性的要害要求是低硬件繁杂性及低功耗。这些特征于现有超声体系中还没有实现,由于超声检测凡是是经由过程相控阵列来完成的,该阵列包罗年夜量零丁节制的压电换能器,并天生年夜量数据。为了最年夜限度地降低能耗及计较需求,可以构想出具备逾越纯真转换功效的新型器件,即超构换能器(meta-transducers)。

据2024医疗器械博览会Medtec相识,近日,意年夜利博洛尼亚年夜学(University of Bologna)的Luca De Marchi副传授于IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control期刊上发表了题为“The blossoming of Ultrasonic Meta-Transducers”的综述论文:先容了近期于超声超构换能器技能方面取患上的研究冲破,这些冲破使换能器可以或许高效履行诸如聚焦、能量网络、波束形成、数据通讯或者模式滤波等使命,并会商了广泛采用这些解决方案所面对的挑战。

因为利用高加工温度、伤害质料及昂贵的装备,压电换能器制造要领凡是具备产量低及通用性差的特色。然而,新呈现的增材制造及微加工解决方案可以降服这些限定,使制造工艺更省时、更经济,换能器的几何设计空间也越发矫捷。

聚焦及全向换能器

于很多运用范畴,必需聚焦超声以提高图象分辩率及穿透力。将聚焦超声传送到特定区域可能需要设计微米级换能器阵列,以实现更邃密的空间分辩率及更高的能效。基在时间反转声学(Time Reversed Acoustics)的新技能可以解决设计具备数百个元件的超声聚焦阵列的技能难题。

从头设计换能器或者利用立异的声学透镜也能够提高将多个订交超声波束集中于方针上的能力。

年夜量透镜解决方案基在声子晶体及声学超构质料(metamaterial)。这种超透镜(superlens)可以实现远场超分辩率成像,从而放年夜亚波长特性并实现远场超分辩率。

图1 聚焦子组件:(a)双曲超透镜(hyperlens);(b)超薄超振荡声透镜;(c)超构外貌(metasurface);(d)全向超声换能器。

于需要年夜笼罩面积的运用范畴,需要宽开角甚至全向性而不是聚焦。为此,可以引入仿生解决方案,如模仿蝙蝠耳蜗外形的全向换能器,可于20 kHz至80 kHz规模内以多个频率共振。

模式选择、转换及滤波

为超声检测选择适合的波形模式是一个主要的思量因素,它直接影响到检测成果的正确性及有用性。存于多种技能解决方案可履行模式选择使命。此中一些方案已经颠末深切研究,例如利用角束(或者楔形)换能器,可以将超声以非垂直角度传输到被检测介质的外貌。楔形换能器还有可用在选择性波模引发及传感。

超构质料也合用在履行模式选择、转换及滤波使命。如超构质料与楔形换能器一路利用可提供体波模式转换及更高效的波能传输。已经开发的弹性超构外貌可将纵波转换为横波,反之亦然。

图2 利用差别方案履行模式及偏振选择或者转换

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波束操控及波前整形

于体波检测中,相控阵可举行二维波束操控,经由过程为阵列的各个元件添加延迟来操控超声波束的方位角及仰角。

一般来讲,增长元件数目可以提高相控阵体系的总体机能。可是,更多的元件数目也可能致使更高的功耗及体系繁杂性,从而影响成本及现实实行。

为了实现声学成像的目的,必需可以或许快速从头配置转向。有源节制的超构外貌可以或许经由过程可编程电子电路调解其相应,提供更快速的可重构解决方案。

有研究提出利用外形影象(SM)合金超构单位制成的超构外貌举行导波波束操控。于这类环境下,热负荷引起超构单位的弹性模量发生变化,从而实现了可重构性。

此外,还有可以经由过程简朴地节制激励脉冲的中央频率来调解及安插用在极化质料的电极,以实现超声波束的操控。

图3 经由过程调解激励旌旗灯号的频谱内容实现波束操控的超声换能器

综上所述,这项研究综述了超声换能器怎样作为多用途器件,而不单单是电能及机械能的转换器件。这些附加功效可经由过程适量设计换能器子组件的机械及几何参数实现零能量(或者极低能量)解决方案,并可能影响广泛的运用范畴。

只管这些技能具备潜于的上风,但仍有一些因素可能限定其广泛利用。器件开发者面对的一个重要挑战是怎样处置惩罚很是年夜的设计空间的繁杂性。尤其是对于在基在超构质料的子组件,找到适合的摆列序构可能需要依靠多物理场模仿的持久迭代处置惩罚。除了了开发专用的快速(而且多是开放的)模仿东西以外,解决这一问题的一个可能要领是采用基在人工智能(AI)的设计优化步伐。此外,只管可调谐超构质料技能很是有远景,但今朝还有不敷成熟,这对于实现易在从头配置的器件来讲至关主要。于这类环境下,可能需要基在年夜面积及印刷电子的新技能集成观点。

末了,新型超构换能器的开发将象征着专用电子接口及嵌入式旌旗灯号处置惩罚步伐的同步成长。于这方面,2024医疗器械博览会Medtec认为压缩感知及小型呆板进修可能会提高前端体系的功效、操作带宽、鲁棒性及效率,有望为新一代超声体系的成长摊平门路。

论文信息:DOI: 10.1109/TUFFC.2024.3420158

文章来历:麦姆斯咨询  MEMS

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