[发明专利]一种聚焦声透镜的设计方法

摘要

本发明公开了一种聚焦声透镜的设计方法，属于聚焦超声领域。本发明通过在传统聚焦声透镜的声辐射面构建声学人工结构，即在传统聚焦声透镜的声辐射面设置周期性分布的同心环状凹槽结构，并采用有限元模拟计算对凹槽的结构参数进行优化设计，从而能够在特定频率范围内抑制声焦点处径向旁瓣的幅度，同时提高声能的聚焦增益。采用本发明的设计方法设计出的声透镜可以应用于聚焦超声成像和聚焦超声治疗领域，相比于现有的声透镜聚焦装置，能够有效降低径向旁瓣幅度，提高聚焦增益，减小焦点位置的偏移。

主权项

一种聚焦声透镜的设计方法，其步骤为：步骤一、选定聚焦声透镜的初始目标工作频率f₀，根据该初始目标工作频率f₀计算出声波在工作介质中的纵波波长λ；在聚焦声透镜表面的声辐射面，即凹球面上设置周期性分布的同心环状凹槽结构，并设置该凹槽结构的初始分布参数：相邻凹槽的间隔为L₀，凹槽的深度为h₀，凹槽的宽度为d₀；步骤二、在有限元模型计算中循环调节凹槽的宽度d和深度值h，并采用频率扫描的方法分别计算焦点声压及透镜的声透射率相对于频率f的变化关系，当产生焦点声压最大的工作频率f_1max与声波反常透射的峰值频率f_2max的差值|f_1max‑f_2max|达到预期要求时即停止循环，以此时产生焦点增益最大的工作频率f_1max作为目标工作频率f₁，并以此时的凹槽深度和宽度分别作为本次循环中优化的凹槽深度h₁和宽度d₁；步骤三、在目标工作频率f₁附近分析焦点处的径向旁瓣相对于主瓣的幅度比值，在有限元模型计算中保持优化后的凹槽深度h₁和宽度d₁不变，不断调节相邻凹槽的间隔L使上述幅度比值达到最小，从而取得最佳的径向旁瓣幅度抑制效果，并以此时相邻凹槽的间隔L作为本次循环中优化的相邻凹槽的间隔L₁；步骤四、评价经步骤一至步骤三中优化后的聚焦声透镜在目标工作频率f₁处的聚焦效果，聚焦效果包括以下三项指标：(a)焦点处的径向旁瓣幅度相对于主瓣幅度的比值；(b)焦点处的聚焦增益，即焦点声压相对于平面活塞超声换能器发射声压的增益；(c)声压焦点位置与透镜几何焦点位置之间的偏移量；步骤五、如果步骤四中聚焦声透镜在目标工作频率f₁处的聚焦效果未达到设定目标，则重复进行步骤二至步骤四，直至步骤四中聚焦声透镜在目标工作频率f₁处的聚焦效果达到设定目标；步骤六、根据步骤五中最终得到的凹槽宽度d、凹槽深度h、相邻凹槽的间隔L来制作聚焦声透镜。