【摘 要】
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传统压电式超声换能器存在带宽窄,体积大等问题,利用微机电系统（MEMS）研制了一种电容式微机械超声换能器（CMUT）具有体积小、频带宽、声阻抗匹配性能好等特点。本文针对CMUT的工作特性,建立等效电路模型,设计了多通道的超声相控阵驱动电路,探究脉冲激励参数对CMUT声发射性能的影响,并针对CMUT声发射能力弱这一问题,提出解决方案。本文首先对CMUT微元及超声相控阵的工作原理进行介绍,并分析了CM
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传统压电式超声换能器存在带宽窄,体积大等问题,利用微机电系统（MEMS）研制了一种电容式微机械超声换能器（CMUT）具有体积小、频带宽、声阻抗匹配性能好等特点。本文针对CMUT的工作特性,建立等效电路模型,设计了多通道的超声相控阵驱动电路,探究脉冲激励参数对CMUT声发射性能的影响,并针对CMUT声发射能力弱这一问题,提出解决方案。本文首先对CMUT微元及超声相控阵的工作原理进行介绍,并分析了CMUT的等效电路模型。通过测试实验室自制CMUT阵元的阻抗特性,建立了CMUT的等效电路模型。其次,对驱动电路中的芯片进行选型并设计脉冲激励、高压脉冲选通、阻抗匹配、现场可编程逻辑门阵列（FPGA）控制以及电源转换等模块。运用Verilog硬件描述语言实现驱动电路中的主要逻辑控制、数据传输,阐述FPGA实现高压脉冲激励信号与选通开关状态控制、脉冲激励信号通道间时延、串口通信的方法。对电路模块进行调试,针对脉冲激励信号的过冲问题,运用信号完整性分析仿真并解决。通过实验选取交/直流电压比1:1、脉冲个数5个、脉冲占空比50%作为激励CMUT的参数。测试阻抗匹配对CMUT的轴向声场指向性的影响,在测量范围内阻抗匹配前的输出声压幅值为5.45m V-60.6m V,阻抗匹配后的输出声压幅值为9.825m V-94.75m V,且不影响轴向声场特性;测试阻抗匹配对CMUT的辐射声场指向性的影响,有阻抗匹配的CMUT输出声压强度一直高于无阻抗匹配时CMUT输出声压,且有无阻抗匹配的主瓣宽度都约为6.2°。对比阻抗匹配测试前后的电阻、电抗、散射系数均趋于目标值。结合相控阵延时算法验证了电路对CMUT阵列的声束聚焦、偏转的能力,在声束聚焦实验中施加延时激励的CMUT阵列输出声压峰峰值为187.5m V明显高于未应用延时激励CMUT阵列输出的62.125m V。本文对CMUT的应用做初步探索,为实验室后续对CMUT阵列的超声成像研究打下基础。
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