电容式微机械超声换能器（CMUT）具有许多优良特性和广阔的应用前景。本书系统地论述了CMUT及其阵列的设计、建模、分析与测试等相关理论与应用基础。主要内容包括CMUT工作原理与理论基础、CMUT建模与特性分析、CMUT阵列设计基础及其指向性分析、CMUT及其阵列的声场特性分析、基于CMUT阵列的超声成像方法研究和CMUT及其阵列的性能测试与分析等。

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目录
前言
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
彩图