欢迎课题组投递中文宣传稿，投稿方式见文末
撰稿| 鲁强兵
导读
换能器的空间冲击响应(SIR)不仅仅携带了换能器声场的空间信息还携带了其频谱信息。测量超声换能器的辐射或接收声场是超声换能器测试、设计和优化的重要步骤。然而，对于高频超声换能器声场测量，水听器法、小球反射法等常规方法存在频带窄、空间分辨率差等问题。最近，南京大学陈延峰、卢明辉老师团队和香港理工大学祝捷老师团队合作提出了一种基于光声技术来表征超声换能器SIR的方法称之为光声法(PA)，该方法可以实现高空间分辨率的声场测量，空间分辨率可达1.7
。研究人员测量了两个中心频率分别为20 MHz和93 MHz的聚焦超声换能器的SIR，并证实了单平面声场的测量可以使用角谱法精确外推到三维声场上。由于这种方法超声换能器只需要处于接收状态，对于那些不能主动发射声波的超声探测器的声场测量，这将是一种非常有效的声场空间冲击响应的表征方法。该工作以Probing the Spatial Impulse Response of Ultrahigh-Frequency Ultrasonic Transducers with Photoacoustic Waves为题，于2020年9月10号发表在Physical Review Applied上。
超声换能器作为一种机械能和电能互为转换的器件，在无损检测、超声成像、流速测量等方面有着重要应用。测量换能器的声场分布可以检验换能器的质量，帮助设计制造更先进的换能器；也可以帮助提高声学成像的质量。换能器声场测量方法目前主要使用水听器对三维声场进行全场扫扫，这种方式一般测量的是单一频率声场的分布；球反射法通过反射换能器发出的声场，被反射的声场再次被换能器接收，通过pulse-echo过程来测量换能器发射声场的分布，。
无论是水听器测量还是球反射法测量，对换能器空间声场的高精度测量，尤其是对高频聚焦超声换能器的声场测量，测量精度都是不够的。水听器探测有效面积一般都在毫米或者几百微米量级，很难做到一百微米以下，这是因为探测针尖太小水听器的灵敏度会下降，从而导致较低的信噪比，而这种大的探测区域实际上测量的是某一点声场的平均值，对于短波长高频声场的微小差异不能区分。同时受到水听器的本身带宽的限制，难以准确反映换能器脉冲信号的频谱特征。球反射法要求小球具有光滑的球面和较小直径，尤其当小球接近换能器表面时，其有效反射面积的增大会引入更大的误差。
光声效应最早由贝尔发现，当脉冲击光照射一个光吸收体之后，吸收体吸收激光的能量并最终把光能转换为热能，引起热膨胀，由此产生超声波。使用纳秒脉冲击光照射光吸收体，可以产生数百兆带宽的脉冲超声波，利用光声效应可以用于光声成像和光声光谱气体分析。在这篇文章中，研究人员介绍一种基于光声点源的高频超声换能器的声场测量方法。通过把纳秒脉冲激光光斑缩小到小于2 
并照射到碳纤维上，以此激发一个宽带超声信号。相对换能器带宽和接收孔径，这个超声信号在时间和空间上可以被认为是一个理想的脉冲，也就是空间上可以认为这个光声信号是一个理想点声源，时间上也是一个理想脉冲。换能器接收到这个信号会产生相应的冲击响应，通过测量换能器相对光声点源不同位置的冲击响应，就可以知道换能器的空间冲击响应分布。根据声场辐射的可对易性，在线性范围内，通过计算换能器驱动信号和换能器各点的空间冲击响应，就可以测量换能器在该驱动信号下的声强分布。
光声法示意图。换能器对脉冲光声波(PAWs)的响应与其空间脉冲响应h(x,y,z,t) 相对应。
(a) 实验装置示意图。蓝色实线表示数据流，棕色短虚线表示控制流。激光束通过L1和L2扩展，然后由物镜L5聚焦在碳纤维上产生光声波。由CMOS、L3、BS和L5组成的成像系统的放大倍数为12.5。L1：凹面透镜。L2和L4：凸透镜。L3：管状透镜。L5：物镜。M：镜子。PD：光电探测器。BS分束器。(b) (a)中红色固体区域的放大图。激光束通过物镜L5和覆盖玻璃，聚焦在浸泡在脱气水中的碳纤维上。(c) 反射镜反射的焦点图像(左图)和碳纤维上的焦点(右图)。激光光斑直径约为1.7 
，碳纤维约为8.7
。
20 MHz聚焦超声换能器的声场测量。(a) 用光声(PA)法(上图)和小球反射法(BR)在y=0时在xz平面上测量的归一化声强度。(b) 用PA法(蓝色曲线)和BR法(棕色曲线)测量的沿z轴的归一化声强。传感器的焦距约为25毫米。(c) SIR沿z轴的频谱。
用PA法测量了93 MHz聚焦超声换能器沿z轴的声场。(a) 归一化声强与z轴曲线(青色实线)和SIR沿z轴的频谱(热彩色图)。(b) 频率f=40、60、80和100 MHz时沿z轴的固定频率声波的归一化声压幅度。
z=6.2 mm、6.5 mm和6.8 mm时，93 MHz聚焦超声换能器在xy平面上的声强分布。结果(a)用PA法测量出来的，(b)测量z=2 mm的xy平面上的SIR分布后，用角谱法重构出来的声场分布。 (c) y=0时沿x轴的声强分布。ASA结果根据在z=2 mm (使用PA法)进行计算。
(a) 薄圆盘状热源的横截面示意图。(b) 点源产生的双极波(蓝色曲线)和三极波(棕色曲线)的归一化频谱，插图是相应的波形。由双极波(c)和三极波(d)贡献的薄圆盘状热源产生的光声波的归一化谱与角θ的关系。(e) 二维圆盘光声源的指向性。角度如(a)所示。
文章使基于光声技术(PA)对两种商用超声换能器(中心频率分别为20 MHz和93 MHz)的SIRs进行了系统测量和分析。实验结果证实了该方法有以下几个方面优于传统测量方法：(1)声场采样的空间分辨率由激光光斑大小决定，而不是由水听器的探测面积或小球的有效反射面积决定。文章实现了1.7 
的空间分辨率，远远超过了目前最先进的商用水听器的40
空间分辨率。(2) 那些仅能接收声波的超声探测器，例如基于法布里-珀罗干涉仪和微环谐振器的声波探测技术，PA法使得其接收声场的表征成为可能。(3) PA法不会在声场中引入干扰物(例如水听器和小球)，避免了不必要散射引起的声场干扰。
南京大学现代工程与应用科学学院博士研究生鲁强兵为该论文第一作者，共同一作为香港理工大学刘拓博士，南京大学丁雷博士研究生也参与了工作，南京大学卢明辉教授和香港理工大学祝捷教授为论文共通通讯作者，文章也得到了陈延峰教授的指导。该项目受到国家重点研发计划，自然科学基金（包括杰出青年基金），南京大学研究生跨学科创新项目的支持。
文章链接
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.14.034026
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理（按照法规支付稿费或立即删除）。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
