THI U ỚI THIỆU ỆU
Tổng quan
Thính giác của con người bao gồm một dải tần số giữa 20 và 20.000 Hz. Trên phạm vi này, âm thanh được định nghĩa là siêu âm Hiện nay sử dụng sóng siêu âm rất được quan tâm và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực từ tìm kiếm với Sonar để cảm biến chuyển động hoặc thử nghiệm vật liệu.
Một trong những ứng dụng phổ biến nhất được biết đến trong lĩnh vực ứng dụng sóng siêu âm là chẩn đoán hình ảnh y tế và chẩn đoán lâm sàn bệnh Yếu tố để có được một chuẩn đoán hình ảnh bệnh chính xác là đầu dò siêu âm Chức năng của nó là tạo ra và nhận tín hiệu siêu âm Vì vậy, các phân tích và xác định các đặc tính của đầu thăm dò siêu âm là rất quan trọng trong việc thiết kế, cũng như dự đoán độ chính xác của cảm biến. Đầu dò siêu âm rất khó để mô tả đặc điểm, do bởi chúng là một thiết bị cơ điện phức tạp, chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng âm thanh và ngược lại Mô hình đầu dò siêu âm một chiều (1-D), chẳng hạn như các mô hình Mason và KLM [1], rất hữu ích trong việc thiết kế hình dáng, cấu trúc và đặc tính của đầu dò siêu âm Thực tế đã chứng minh khi đầu dò được sử dụng trong một hệ thống đo lường siêu âm (hoạt động như là một máy phát hoặc như là một máy thu), các thông số phụ thuộc vào tần số có thể được thiết kế, mô phỏng và kiểm tra Những thông số này là trở kháng điện, chiều dài và hình dạng xung ra, băng thông hoạt động, và độ nhạy của đầu dò siêu âm Trong khi đo trở kháng điện của đầu dò siêu âm có thể được thực hiện với máy phân tích trở kháng điện tiêu chuẩn, đo lường độ nhạy thì lại là một vấn đề khác, vì đại lượng này liên quan đến sự biến thiên của cả hai loại là điện và cơ.
Trong quá trình khảo sát đặc trưng của đầu dò, người làm có thể sử dụng hydrophone hoặc nhiều đầu dò trong một thí nghiệm phức tạp [2] Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi cơ sở vật chất cho thí nghiệm rất phức tạp và tốn nhiều chi phí thiết lập Phương pháp xung vọng (pulse-echo) là một phương án đơn giản và tối ưu nhất hiện nay Nó được gọi là phương pháp hiệu chuẩn tự- nghịch [3] [4], trong đó chỉ một đầu dó siêu âm duy nhất được sử dụng để kiểm định kết hợp với một bề mặt phản xạ hoàn hảo nằm ở rất gần hoặc xa Tuy nhiên, vị trí tương đối giữa đầu dò và vật phản xạ là cực kỳ quan trọng để thu được xung phù hợp không bị biến dạng và có nhiều nhiễu Nếu xác định vị trí của đầu dò không chính xác có thể dẫn đến mất năng lượng vô ích do nhiễu xạ trong các xung truyền vì mất định hướng Phần lớn xung truyền đi phải tập trung và trọng tâm của khối phản xạ Vì thế, dễ dàng tránh được phản xạ nhiều lần và hiệu ứng nhiễu Chính bởi những lí do trên, thiết lập trong đo lường phải có một hệ thống cơ khí ổn định để giữ đầu dò và hệ thống kiểm soát đối với các phản xạ vô ích
Thêm vào đó, độ nhạy của đầu dò siêu âm là đại lượng quan trọng để mô tả hiệu suất chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng sóng âm (acoustic) của đầu dò siêu âm Một đầu dò siêu âm có thể được mô tả về mặt toán học như một mạng lưới hai cổng với một cổng mang đặc điểm của sóng âm và một cổng mang đặc điểm là điện Có hai đại lượng cơ học, lực (F) và vận tốc (v) tại cổng có đầu ra là sóng âm và hai đại lượng điện, điện áp (V) và dòng điện (I) tại cổng còn lại Việc tính toán độ nhạy của đầu dò cần phải có cả hai đại lượng: dòng và điện áp Tuy nhiên, chỉ có điện áp có thể được đo thực tế bằng phương pháp pulse-echo tại phòng thí nghiệm Còn dòng điện thì rất khó đo được giá tri chính xác do thiếu thiết bị đo đạc Khắc phục vấn đề này, trở kháng của đầu dò sẽ được sử dụng để tính toán các dòng Tuy nhiên, trở kháng và điện áp được xác định bằng các thiết bị khác nhau, kết quả là dải tần số đáp ứng khác nhau Do đó, các giao thức đo lường và xử lý tín hiệu là một thách thức để có độ chính xác cao cho kết quả đạt được
Cuối cùng, mô phỏng trở kháng, hình dạng sóng, băng thông hoạt động, và độ nhạy của đầu dò siêu âm đóng một vai trò quan trọng để có được kết quả đáng tin cậy hơn, lặp lại, và nhất quán Xây dựng mô hình, áp dụng tính chất vật lí, điều kiện biên cũng như lấy các kết quả trong mô phỏng phải được kiểm tra và thực hiện một cách chính xác để có được những kết quả tương đối chính xác so với các kết quả đo lường thực tế.
Mục đích của đề tài
COMSOL Multiphysics® là một nền tảng phần mềm đa năng, dựa trên phương pháp số nâng cao, cho mô hình và mô phỏng vật lý để giải quyết các vấn đề khó khăn mà các phần mềm khác không làm được Với COMSOL Multiphysics, hai hay nhiều vấn đề có thể dễ dàng giải thích sinh động và cụ thể Với hơn 30 công cụ tiện ích để lựa chọn, người dùng có thể tiếp tục mở rộng nền tảng mô phỏng với giao diện dành riêng cho vật lý và các công cụ điện, cơ khí, chất lỏng chảy, và hóa học ứng dụng Sản phẩm bổ sung kết nối giữa mô phỏng COMSOL Multiphysics với máy tính kỹ thuật, CAD, và phần mềm ECAD.
Mục đích của bài nghiên cứu làứng dụng phần mềm COMSOLMultiphysicsđể kiểm tra các đặc tính cơ bản của đầu dò siêu âm dựa vào phương pháp pulse-echo Sau đó, những đặc tính cơ bản nàyđược so sánh với kết quả đo lường thực tếvà phần mềm XTRANS Xây dựng mô hình FEM dựa vào phần mềm là một phương pháp hiệu quả để thiết kế cũng như tính toán các đặc tính của đầu dò siêu âm Tuy nhiên, độ phức tạp tính toán do tần số cao và hình dạng cấu trúc là một thách thức rất lớn Mô hình, vật liệu cũng như cấu hình phải được thiết lập đúng cách để bảo đảm không có bất kỳ vấn đề nào ảnh hưởng đến quá trình tính toán và đưa ra kết quả cuối cùng của mô phỏng.
Cấu trúc của tập thuyết minh
Phần còn lại của tập thuyết minh này được cấu trúc như sau
Chương 2: Lý thuyết tổng quan về sóng âm, mô hình toán học được áp dụng để giải thích hoạt động của nó
Trong chương 3, phần mềm COMSOL Multiphysics được tập trung trình bày cụ thể Cách xây dựng mô hình FEM để khảo sát những đặc tính của đầu dò siêu âm
Chương 4 trình bày kết quả thu được từ mô phỏng.Đồng thời tác giả cũng sẽ so sánh kết quả này với kết quả thu được từ thực nghiệm.
Cuối cùng, phần kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo được trình bày.
Sóng âm
Trong vật lý, phương trình của sóng âm được biết như là sự truyền của sóng âm thanh qua một vật chất nào đó Sóng âm là dao động của áp suất đi qua một chất rắn, chất lỏng hay khí trong một mô hình sóng Sóng âm truyền bằng cách nén và dãn nở của vật liệu mà nó đang đi xuyên qua, biểu hiện như là biến động áp suất nơi mà trọng lượng của vật không được tính tới Nói chung, sóng lan truyền theo chiều dọc được chủ yếu sử dụng trong siêu âm y tế, mặc dù nhiều nghiên cứu đang được tiến hành trên sóng ngang có thể cung cấp trong lĩnh vực y tế Về cơ bản, sóng theo chiều dọc được gọi là sóng nén hoặc nén sóng trong cùng một hướng và ở một tần số nhất định.
Tốc độ của sóng phẳng [m/s] phụ thuộc vào vật liệu mà chúng đi qua, được định nghĩa như sau: c=√ ρ к 1 (2.1)
Với к là hệ số nén và ρ [kg/m 3 ¿ là mật độ của vật liệu
Bước sóng là khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm dao động cùng pha hay khoảng cách giữa hai đỉnh sóng (điểm mà sóng đạt giá trị lớn nhất), hoặc tổng quát là giữa hai cấu trúc lặp lại của sóng, tại một thời điểm nhất định. Kýhiệu là λ [m] Công thức tính bước sóng được đưa ra bởi mối quan hệ đơn giản giữa tốc độ của sóng âm, c [m/s], và tần số f [Hz]: λ=c f (2.2)Trở kháng đặc trưng của môi trường được tính toán dựa vào tốc độ của sóng âm truyền trong môi trường và mật độ của chúng:
2.1.1 Truyền dẫn và phản xạ
Giả sử rằng chúng ta có một giao diện tại x = 0 giữa hai vật liệu bán vô hạn với trở kháng đặc trưng Z1 và Z2, và sóng lan truyền từ trái sang phải trong vật liệu phía bên trái, như minh họa trong hình 2.1.Khi sóng này chạm giao diện giữa hai vật liệu, nó sẽ được phản xạ một phần và truyền đi một phần Đối với vật liệu nằm phía bên trái, chúng ta sẽ có cả hai loại sóng: sóng ban đầu và sóng phản xạ, trong khi ở vật liệu bên phải chúng ta sẽ có thêm một phần sóng truyền từ vật liệu bên trái đến vật liệu bên phải. Áp suất và vận tốc hạt ở bên trái và ở ngay tại giao diện của vật liệu bên phải, x = 0, được đưa ra như:
Tại giao diện trên bề mặt, áp suất và vận tốc của hạt phải được liên tục, tức là P0= P1 andU0 = U1, do đó có thể giải quyết vấn đề từ Eqs (2.4) với (2.5) cho Pinc và Preflt trong thành phần của Pinc Từ đây, chúng ta có thể tính toán hệ số phản xạ, R, áp suất và vận tốc.
Hình 2.1: Sóng tới ở ranh giới giữa hai môi trường [5]
2.1.2 Sự suy giảm sóng âm
Sự suy giảm bị ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố và nói chung là khó để đưa ra giá trị chính xác Suy giảm trong siêu âm thường phụ thuộctần số, và tỷ lệ thuận với độ sâu của sóng truyền Nói chung, có một số nguồn của sự suy giảm trong chất liệu, bao gồm suy giảm do hạt tán xạ (đôi khi được gọi là tiếng ồn kim loại) và suy giảm do sự hấp thụ Tổn thất tăng lên trong tán xạ hạt, vì cấu trúc vi mô của các tầng, kim loại được tạo thành từ các hạt tinh thể nhỏ (Hình 2.2) làm phân tán sóng tới theo nhiều hướng khác nhau, dẫn tới làm giảm biên độ sóng theo khoảng cách hướng truyền sóng.Trên màn hình máy hiện sóng, ảnh hưởng của sự tán xạ này sẽ xuất hiện như là một tiếng ồn tần số cao hoặc nhiễu trong đó tín hiệu tắt dần được nhúng vào (hình 2.3) Sự phụ thuộc tần số của hệ số suy giảm cho hạt tán xạphụ thuộc phần lớn vào kích thước của bước sóng λ tương đối so với đường kính hạt trung bình.
Ngược lại với suy giảm do sự tán xạ hạt, tổn thất hấp thụ là do sự chuyển đổi năng lượng cơ học thành nhiệt (tổn thất do độ nhớt) trong quá trình chuyển động sóng Những thiệt hại do suy giảm hấp thu thường thay đổi theo tần số như f 2 Trong nước, ví dụ, hệ số suy giảm ở nhiệt độ phòng được đo như: α(f)%.3×10 −15 f 2 [Np m ] (2.10)
Trong đó f là tần số trong Hz và kích thước của α ở trong Nepers (Np) trên mét (Neper một là một số lượng Newton) Tương tự, hiệu ứng này cũng rất quan trọng trong chất rắn đàn hồi, nhưng những vật liệu thườngkhông được sử dụng trong kiểm tra siêu âm.
Hình 2.2: Suy hao do tán xạ hạt [5]
Đầu dò siêu âm làm từ vật liệu Piezoelectric
Một đầu dò siêu âm có cấu trúc bao gồm một tấm của các vật liệu áp điện với trở kháng Z0 được gắn trên một vật liệu đệm (backing) với trở kháng
ZB, và kết nối với một vật liệu với đặc tính trở kháng ZM để phù hợp với một tải trọng (matching), ví dụ không khí, nước Bề mặt của đĩa được gắn với các điện cực để lái một điện áp qua độ dày tấm áp điện Bằng cách áp một hiệu điện thế giữa các điện cực, các tấm sẽ được biến dạng do hiệu ứng áp điện Đầu dò siêu âm điển hình được thể hiện trong hình 2.3 và hình 2.4.
Hình 2.4: Mặt cắt ngang của đầu dò [6]
Một vật liệu áp điện sẽ sản sinhđiện trường bên trong khi có sự kéo căng Và ngược lại, một vật liệu áp điện sẽ bị kéo cưng khi có một điện trường được áp lên nó Hiện tượng xảy ra như sau: người ta tìm được một loại chất có tính chất hóa học gần giống gốm (ceramic) và nó có hiệu ứng thuận nghịch: khi áp vào nó một trường điện thì nó biến đổi hình dạng, và ngược lại khi dùng lực cơ học tác động vào nó thì nó tạo ra điện tích trên bề mặt xác định.
Nó như một máy biến đổi trực tiếp từ năng lượng điện sang năng lượng cơ học và ngược lại Nếu như theo chiều hướng thuận, có nghĩa là tác dụng lực lên vật thì sẽ sinh ra điện và ngược lại là áp điện nghịch: tác động hiệu thế vào vật thì sẽ sinh ra công biến dạng làm biến đổi lực Vì vậy, công thức trở thành:
D: độ dịch chuyển của điện tích d1, d2:hệ số điện tích áp điện: hiệu ứng áp điện trực tiếp và hiệu ứng áp điện ngược tương ứng.
∈ T : hằng số điện môi tại hằng số ứng suất
Biểu thức (2.11) cho thấy mối quan hệ giữa năng lượng cơ và điện của vật liệu Phương trình đầu tiên cho thấy một phần của một điện trường được áp dụng cho vật liệu được chuyển đổi thành năng lượng cơ khí co giản Tương tự như vậy, công thức thứ hai mô tả là một phần của năng lượng cơ khí co giản áp dụng cho vật liệu được chuyển đổi thành điện trường
Do đó, vật liệu áp điện đóng vai trò vừa là cảm biến và hoạt động, có nghĩa là nó có thể sản xuất và phát hiện sóng âm thanh Vật liệu phổ biến nhất được sử dụng trong đầu dò siêu âm là Lead Zirconate Titanate (PZT)
Tính chất của vật liệu như thế có thể được đặc trưng bởi hằng số truyền d, với sức căng được sản xuất bởi một đơn vịđiện trường (trong m/V) và của hằng số nhận g được sản xuất bởi một đơn vị của sự co giản (trong V/(N/m)) Đối với PZT, d00×10 -12 m/V và g=2.5×10 -2 V/(n/m) [7].
Vật liệu áp điện rung theo hàm sin sau khi tiếp xúc với điện trường Tần số dao động đó được gọi là tần số cộng hưởng cơ bản của đầu dò siêu âm, và có liên quan chặt chẽ đến độ dày của tinh thể: f 0 = c c
Nơi cc là tốc độ của âm thanh trong đầu dò và Lc là độ dày của vật liệu áp điện.
2.2.2 Lớp matching Để có đáp ứng xung ngắn và băng thông rộng, đầu dò siêu âm được thiết kế với một hoặc hai lớp ở phía trước của PZT (hay còn gọi là lớp matching) để chuyển công suất tối đa từ nơi phát đến một tải.Tính chất vật lý cơ bản được mượn từ lý thuyết truyền tải trên đường dây, trong đó n là các phần đường truyền có trở kháng khác nhau, mỗi một phần tư bước sóng dài, được sử dụng để phù hợp với máy phát đến tải Trong âm thanh tương tự, trở kháng âm thanh được sử dụng, và phần đường truyền trở thành các lớp có các giá trị trở kháng trung gian giữa PZT và nước.Chiều dày của vật liệu áp điện được định nghĩa bằng một phần tư bước sóng ở tần số trung tâm
Thách thức trong thiết kế đầu dò siêu âm là phù hợp với trở kháng âm thanh cao khoảng 33,35 MRayls (PZ-27) để trở kháng tương đối thấp 1,5 MRayls đặc trưng của môi trường nước Trong nghiên cứu này, lý thuyết truyền cổ điển đường truyền và mô hình KLM [1] được sử dụng để thiết kế một phần tư bước sóng Các công thức và giá trị để tính toán được đưa ra trong Bảng 2.1 (nơi PZ27 Zc = 33,35 MRayls, và trở kháng tải phía trước là nước với ZL = 1,5 MRayls).
Bảng 2.1: Dự đoán vật liệu lớp matching theo hai phương pháp
Các đặc tính quan trọng của đầu dò siêu âm
2.3.1 Mô hình đầu dò siêu âm
Hình 2.5 trình bày mô hình của đầu dò siêu âm trong khi truyền sóng siêu âm Trong mô hình này, một đầu dò siêu âm, A, được biểu diễn như một hệ thống hai cổng, đặc trưng bởi một ma trận chuyển 2x2, [T A ], do đó điện áp và dòng điện có liên quan đến lực tác dụng và vận tốc thông qua các thành phần có trong ma trận đại diện cho đầu dò siêu âm
Tại cổng mà đầu ra là sóng âm, lực và vận tốc được kết hợp thành các tính chất của sóng lan tỏa vào môi trường chất lỏng liền kề Sự kết hợp này có thể được mô hình hóa, như trình bày trong Hình 2.5, bằng cách đặt một trở kháng bức xạ âm, Zr (A; a) (ω).).
Như có thể thấy từ Hình 2.5, Ft = Zr (A; a) (ω).) vt, và nó sau từ Eq (2.14)
Hình 2.5: Đầu dò siêu âm, A, đặc trưng như một hệ thống hai-port [6]
2.3.2 Đầu dò siêu âm trong chế độ thu phát sóng
Khi các đầu dò được sử dụng như một nguồn dùng để phát sóng âm, nó có thể được mô hình hóa như một trở kháng điện và một bộ khuếch đại lý tưởng có thể chuyển đổi các đầu vào hiện tại đến vận tốc đầu ra (hoặc lực), như trong Hình 2.6 (a).
Do một đầu dò siêu âm trong khi truyền luôn được kết nối tại cổng phátsóng âm của nó tới nước trong thiết lập hoạt động, mối quan hệ này có thể được mô hình hóa bằng cách đặt một trở kháng bức xạ âm tại cổng phát Sau đó, lực đầu ra và vận tốc được liên quan với nhau theo công thức:
Nơi Zr (A; a) (ω).) là trở kháng bức xạ âm thanh của đầu dò Kí hiệu ‘a’ trong trở kháng bức xạ âm chính là trở kháng âm thanh Trở kháng bức xạ âm thanh của một đầu dò siêu âm có hình tròn chỉ là trở kháng âm thanh của sóng phẳng, tức là Zr (A; a) (ω).) = ρccpA, nơi ρc mật độ của chất lỏng, cp là tốc độ sóng nén của chất lỏng , và A là diện tích của bộ chuyển đổi Kết quả này cũng đúng ở tần số cao cho các mô hình đầu dò siêu âm khác nữa. a) Đầu dò siêu âm khi truyền b) Đầu dò siêu âm khi nhận
Hình 2.6: Mô hình phát (a) và nhận (b) Đối với lúc nhận, sóng tới và sóng tán xạ tại đầu dò siêu âm nhậnhoạt động như nguồn điều khiển cho đầu dò Như có thể thấy từ [8], đầu dò và các nguồn sóng âm có thể hoàn toàn theo mô hình của một nguồn tương đương Thevenin và trở kháng, xem hình 2.5 (b) Điện áp là sản phẩm của lực lượng chặn, FB (ω).) và độ nhạy đầu dò, SvI A (ω).), trong loạt với trở kháng đầu vào điện của bộ chuyển đổi, Zin (A; e) (ω).).
2.3.3 Trở kháng điện của đầu dò siêu âm
Như đã đề cập từ trước, từ công thức (2.13) và (2.14), trở kháng đầu vào của đầu dò siêu âm, Zin (A; e) (ω).) được cho bởi:
Như có thể thấy từ phương trình (2.16), trở kháng này là một hàm của các yếu tố ma trận của đầu dó và trở kháng bức xạ âm Tuy nhiên, trở kháng của đầu dò rất dễ dàng để đo trực tiếp bằng máy phân tích trở kháng và Thevenin mạch tương đương, vì thế không cần thiết để biết các điều khoản ma trận chuyển xuất hiện trong (2.16)
2.3.4 Độ nhạy của đầu dò siêu âm
Trong trường hợp truyền của đầu dò, đầu dò chuyển đổi các đại lượng điện như điện áp hoặc dòng điện thành các đại lượng cơ như lực hay vận tốc Theo định nghĩa, sự nhạy cảm, S (ω).) được đưa ra bởi đầu ra chia cho đầu vào, tức là,
S oi (ω)=o(ω) i(ω) Kết quả là, có bốn loại độ nhạy khác nhau trong đầu dò khi truyền có thể được xác định Trong nghiên cứu, độ nhạy khi truyền của đầu dò, SvI A, và độ nhạy loa của đầu dò, SFI A, được định nghĩa là tỉ số của vận tốc đầu ra chia cho dòng điện đầu vào, và lực chia cho dòng điện đầu vào Từ (2.13) và (2.14) được sự nhạy cảm truyền là:
Tuy nhiên, giống như trở kháng, nó không cần thiết để biết các yếu tố ma trận chuyển vì độ nhạy của đầu dò sẽ tính trực tiếp bằng thực nghiệm
Trong trường hợp người nhận, trở kháng cùng bộ chuyển đổi của điện đầu vào, độ nhạy và trở kháng bức xạ âm của nó cũng đủ như thể hiện trong hình2.7
Hình 2.7: Đầu dò hoạt động như một máy thu
Dang et al [8] đã chỉ ra rằng những sóng tại đầu dò tiếp nhận có thể được mô hình hóa như lực, FB (ω).) nối tiếp với trở kháng loa bức xạ, Zr (A;a) (ω).). Đối với đầu dò nhận, mối quan hệ giữa lực và điện áp được cho bởi:
Nơi det [T A ] là định thức của ma trận chuyển giao cho đầu dò Lưu ý rằng cổng âm thanh lúc này là đầu vào và cổng điện là cổng đầu ra, do đóvị trí của
T11 A, T22 A, là một đảo ngược so với công thức (2.13).
Từ hình 2.7, chúng ta thấy rằng:
F B (ω)−F(ω)=Z r A ;a (ω)v(ω) (2.19) Độ nhạy lực của đầu dò siêu âm khi nhận có thể được định nghĩa là:
F B (2.20) Nơi mà điện áp V ∞ được đo trong điều kiện mở mạch, nghĩa là, I = 0.
Nếu chúng ta giả định rằng đầu dò có det đối ứng [T A ] = 1, công thức (2.23) và (2.24) cho thấy mạch hở, lực, sự nhạy khi nhận tín hiệu:
Z r A ; a S FI A (ω)(2.24) Nếu chúng ta thay thế các thành phần của hình 2.7 bởi một nguồn Thevenin tương đương và trở kháng, và V ' (ω)=S vI A (ω)F B (ω) or V ' ( ω)= Z 1 r
Z ' (ω)=Z ¿ A ;e (ω) sẽ có được hình tương đương 2.8.
Hình 2.8: Thevenin mạch tương đương
Dựa trên định nghĩa, độ nhạy truyền, SFI A (ω).) có thứ nguyên là lực/ampe, (N/A) Tuy nhiên, độ nhạytruyền SvI A(ω).) cóthứ nguyên của vận tốc/dòng điện, tương đương với lực chặn của độ nhạy khi nhận, MVF (A; ∞) trong đó có thứ nguyên là điện áp/lực; vì vậy, chúng ta có thể sử dụng một trong hai thứ nguyên đó Trong trường hợp này, thứ nguyên được lựa chọn cho cả hai: độ nhạy truyền và lực là volt/newton, (V/N).
Lực được định nghĩa là lực tác dụng lên đầu dò tiếp nhận ở bề mặt của nó khi được giữ cố định.
Tuy nhiên, công thức có thể được viết lại như sau:
Nơi tA(ω).) = FB(ω).) / Ft(ω).) là hàm chuyển đổi giữa sóng âm/độ đàn hồi, được định nghĩa trong tất cả hiệu ứng lan truyền và nhiễu xạ xảy ra trong chất lỏng Đối với các thiết lập trong dự án, hàm truyền có thể được mô hình hóa một cách rõ ràng như [5]: t A =2R 12 exp(−2 α ( ω) D ) ×
Thiết kế đầu dò siêu âm dạng đĩa tròn
3.1.1 Cấu tạo của đầu dò siêu âm
Hai đầu dò siêu âm, có tên là D1.5 và D1.6 được thiết kế giống như hình 3.1 Nó bao gồm một lớp PZT nằm giữa hai lớp điện cực (electrode) dùng để áp điện cho PZT hoạt động, một lớp matching dùng để mở rộng tần số hoạt động, và một lớp backing dùng để hấp thụ sóng âm ngược không mong muốn để tránh gây nhiễu cho các đại lượng cần đo đạc Đường kính của đầu dò siêu âm là 10mm và có tổng diện tích hoạt động là 78.54mm 2 Tần số hoạt động trung tâm là xấp sĩ 4 MHz
Hình3.11: Cấu tạo của đầu dò
Bảng 3.1 và 3.2 liệt kê tất cả các vật liệu sử dụng để mô phỏng đầu dò siêu âm, bao gồm nước là môi trường hoạt động của đầu dò Trong mô phỏng này, vật liệu áp điện (piezoelectric) là PZ27 [11], bởi vì nó có hệ số kết hợp giữa cơ và điện cao Lớp backing và matching là cần thiết để nâng cao công suất của PZT và phối hợp trở kháng giữa PZT và nước [12] Lớp matching phải lựa chọn sao cho không xảy ra mất mát tín hiệu có ích giữa lớp PZT với môi trường hoạt động (ở đây ta mô phỏng đầu dò hoạt động trong nước) Để hiểu rõ ảnh hưởng của hai lớp backing và matching, dạng sóng của đầu dò siêu âm được mô hình hóa lại như hình 3.2 Nếu thiết kế chỉ có duy nhất một lớp áp điện (PZT), tín hiệu truyền ra từ đầu dò sẽ có thời gian suy hao tín hiệu rất dài
[13] Thiết kế này sẽ giúp cho độ nhạy của đầu dò lớn nhưng mọi thông số quan trọng khác đều giảm đi nghiêm trọng Bằng cách cộng vào lớp backing và lớp matching cho đầu dò siêu âm thời gian suy hao sẽ giảm xuống nhanh chóng. Lúc này độ nhạy của đầu dò sẽ giảm nhưng sự giảm này cũng không lớn lắm, vẫn nằm trong phạm vi cho phép
Hình 3.12: Ảnh hưởng của hai lớp backing và matching lên tín hiệu ra của đầu dò siêu âm Bảng 3.2: Vật liệu được sử dụng trong đầu dò siêu âm D1.5
Bảng 3.3: Vật liệu được sử dụng trong đầu dò siêu âm D1.6
Mô phỏng trong 1D với phần mềm XTRANS
3.2.1 Điện trở kháng của đầu dò siêu âm
Chương trình XTRANS là một phần mềm dung để tính toán các thông số, xây dựng trên ngôn ngữ MATLAB Giao diện và thông số dung để mô phỏng được thiết lập như hình 3.3 và 3.4.
Hình 3.13: Giao diện mô phỏng của D1.5
Hình 3.14: Giao diện mô phỏng của D1.6
3.2.2 Độ nhạy của đầu dò siêu âm Độ nhạy của đầu dò siêu âmđược mô phỏng dựa trên ngôn ngữ Matlab (Xtrans) Chương trình mô phỏng cho phần này được viết bằng cách thêm một số chương trình conmới trong các chương trình chính của phần mô phỏng điện kháng để gọi kết quả và chương trình con mới để tính toán độ nhạy của đầu dò dựa trên kết quả trong mã cũ Trong chương trình con này, dòng điện và vận tốccủa đầu dò dựa vào chương trình Xtrans mô phỏng điện kháng Sau đó kết quả này được sử dụng để tính toán sự nhạy khi truyền, SvI A, cũng như sự nhạy cảm nhận, MVF (A;∞).
Mô phỏng trong 2D với phần mềm Comsol Multiphysics
Mô hình phân tích với XTRANS được coi là một mô hình tốt cho việc mô phỏng đầu dò siêu âm; tuy nhiên, nó bị hạn chế bởi đây là một mô hình 1D Do đó, ảnh hưởng của chiều rộng hữu hạn của cấu trúc đầu dò không đưa vào Để khắc phục những hạn chế của 1D mô phỏng, mô phỏng FEM đã được thực hiện bằng cách ứng dụng COMSOL Multiphysics.
COMSOL Multiphysics® là một nền tảng phần mềm có nhiều mục đích sử dụng, dựa trên nhiều phương pháp số tiên tiến dùng cho mô hình và mô phỏng các vấn đềvật lý Với COMSOL Multiphysics, người dùng sẽ có thể giải thích được các hiện tượng phối hợp hoạt động giữa hai hay nhiều môi trường Với hơn 30 sản phẩm để lựa chọn, người dùng có thể tiếp tục mở rộng nền tảng mô phỏng với giao diện dành riêng cho vật lý với các công cụ dành cho cơ khí, dòng điện, chất lỏng, và các ứng dụng hóa học
Với phần mềm COMSOL Multiphysics ® , người dùng có thể mô phỏng hầu như bất cứ điều gì nhờ vào sự linh hoạt với giao diện COMSOL Desktop® trực quan và dễ sử dụng.Ví dụ, trong COMSOL Multiphysics ® , người dùng có thể sử dụng các phương trình của cá nhân để mô tả đặc điểm của vật chất, ranh giới, vô hạn hoặc hữu hạn, hoặc thậm chí phương trình vi phân từng phần
(PDEs) Sau đó người dùng có thể tạo ra các giao diện vật lý mới từ các phương trình đã nhập Khi tạo các ứng dụng với các Application Builder, người dùng có thể thiết kế giao diện dành riêng của mình dựa trên mô hình của bản thân Những giao diện dành cho người dùng có thể được đơn giản hóa bằng các phiên bản của mô hình hoặc chỉ bao gồm một số các thông số đầu vào và đầu ra muốn cung cấp cho người sử dụng truy cập ứng dụng COMSOL Multiphysics ® cũng bao gồm một API COMSOL ® để sử dụng với Java ® để có thêm tính linh hoạt khi kết nối mô hình COMSOL Multiphysics ® với các ứng dụng khác.
Physical information : Phương pháp nghiên cứu lựa chọn cho các mô phỏng trở kháng là thực hiện trong miền tần số, được biết đến ở COMSOL Multiphysics như Frequency Studytại giao diện Acoustic-Piezoelectric
Interactionbằng cách kết hợp hai giao diện, Pressure Acousticvà các mô hình vật chất Piezoelectric.
Geometrical information: Cấu trúc của các thiết kế được thể hiện trong hình 3.5 với các thông số hình học như bảng 3.1, 3.2
Hình 3.15: Hình dạng hình học của đầu dò trong mô hình FEM
Definitions information: Bảng 3.3 và hình 3.6 liệt kê tất cả các biểu thức và lựa chọn được sử dụng để tính toán trở kháng điện của đầu dò siêu âm
Bảng 0.4: Công thức tính trở kháng điện
Ipiezo 2*pi*intop1(r*acpz.nJ
Zepiezo_r real(Vpiezo/Ipiezo) Ω Zepiezo_i imag(Vpiezo/Ipiezo) Ω
Zepiezo_phas e arg(Zepiezo)*(180/pi) Rad
Với intop1 có nghĩa là cường độ từ trường tích hợp trên ranh giới của bề mặt PZT trên
Hình 3.16: Thiết lập phần định nghĩadefinition
Material information: Bảng 3.4 và bảng 3.5 là danh sách tất cả các thông số của vật liệu làm đầu dò, chẳng hạn như vận tốc, vận tốc sượt và mật độ của vật liệu được sử dụng trong mô phỏng, bao gồm cả nước được coi như môi trường Như đã đề cập, PZ27 vật liệu áp điện được chọn do công suất cao trong hoạt động cơ điện Vật liệu lớp matching nên có trở kháng tương tự như thiết kế dựa trên lý thuyết KLM cổ điển để có được hiệu suất cao trong làm đầu dò siêu âm Từ tính toán (chương 2), MF112 với trở kháng 4.94 MRayls và MF114 với trở kháng 6,51 MRayl được chọn là phù hợp với đầu dò siêu âm D1.5 và D1.6 tương ứng Tối ưu độ dày của các lớp kết hợp được coi là một phần tư bước sóng Không khí được lựa chọn như là một nguyên nhân vật chất đệm để đơn giản trong chế tạo và có độ nhạy tốt.
Bảng 3.5: Các thông số của đầu dò D1.5 trong mô hình FEM
Bảng 3.6: Các thông số của đầu dò D1.6 trong mô hình FEM
Meshing information : Chia nhỏ mô hình của đầu dò để tính toán với kích thước tối thiểu thích hợp được hiển thị trong Bảng 3.6 Điều này cho phép một sự thỏa hiệp tốt giữa thời gian tính toán và kết quả chính xác.
Bảng 3.7: Thông số chia nhỏ được sử dụng trong mô hình
Matching ML1_lambda/20 Electrodes electrode_lambda/
20 Piezoelectri c piezo_lambda/20 Backing back_lambda/20
Boundary conditions: Trong bất kỳ mô phỏng âm thanh nào, điều kiện biên đóng một vai trò quan trọng vì chúng mô tả các hoạt động của đàu dò siêu âm và ảnh hưởng của nó đối với các tín hiệu đo bằng một bài kiểm tra siêu âm Hình 3.7 minh họa các điều kiện biên trong mô hình.
Hình 3.17: Các thiết lập của điều kiện biên
Các điều kiện biên của Acoustic-Structure chỉ áp dụng cho ranh giới giữa môi trường(nước) và PZT Đây là cốt lõi của giao diện tương tác Acoustic- Piezoelectric.
Acoustic-Structure BoundaryAxial symmetry Áp suất tác động từ nước tác động lên PZT được định nghĩa như sau:
Nơi gia tốc của cấu trúc hoạt động trên biên giới giữa PZT và nước Gia tốc bình thường của áp lực âm thanh p trên ranh giới là tương đương với đạo hàm bậc thứ hai của khoảng cách di chuyển: a n =n ∂ 2 u
Các điều kiện của plane wave radiationhoạt động như một bức xạ của sóng phẳng tại điều kiện biên Điều này cho phép mô hình hóa sóng phẳng thành: p i =p 0 e −i (k r) (3.4) Ở đây k là số sóng tới và r là vị trí của sóng Ta cũng có thể sử dụng điều kiện này như một bề mặt không phản xạ tới sóng phẳng Sự phản xạ từ lớp được cho bởi:
Nơi θ là góc tới; như vậy tại sự kiện bình thường, không có phản xạ
3.3.2 Cấu hình mô hình FEM cho dạng sóng hoạt động của đầu dò siêu âm trong hệ thống xử lý ảnh siêu âm Điều quan trọng nhất của đặc trưng đo lường cho thăm dò hình ảnh siêu âm là xung dạng sóng âm vang và băng thông hoạt động của đầu dò Trong phần này, bằng cách áp dụng 'hệ thống hai kênh-FEM', các thông tin về xung, dạng sóng âm vang của đầu dò có thể được mô phỏng rõ ràng Cấu hình FEM cho đầu dò được xây dựng bằng mô hình COMSOL Acoustic-Piezoelectric Interaction trong miền tần số Nó được giới hạn trong chiều không gian 2D và đối xứng trên trục đầu dò sử dụng.
3.3.2.1Thiết kế mô hình Để giảm bớt tính phức tạp trong mô hình FEM, phương pháp 'xung-echo' được mô hình hóa bằng 'hệ thống duplex-FEM' [1], [15], [16] Perfectly Matching Layer (PML) [9] được áp dụng lĩnh vực siêu âm (nước) để giảm tính phức tạp của tính toán Kỹ thuật này ban đầu được tạo ra cho sóng điện từ, nhưng nó hoạt động tốt như nhau cho làn sóng âm thanh Chức năng của PML là nó theo cấp số nhân làm suy giảm sóng đến, dẫn đến sự hấp thụ mạnh mẽ mà không phản xạ Hình 3.8 minh họa hoạt động của PML Khi một sóng hình sin đi vào ranh giới của một PML, nó được suy yếu theo cấp số nhân không có phản xạ.
Hình 3.18: Làn sóng suy giảm trong lớp PML Cách mô phỏng được trình bày cụ thể như sau:
Mô hình FEM cho hướng truyền: Cấu hình cho mô hình FEM được trình bày trong hình 3.9 Cấu hình sử dụng là lớp vật lý Acoustic-Piezoelectric
Interactionhoạt động trong miền tần số, được mô tả cụ thể trong hình 3.10.
Hình 3.19: Mô hình cấu hình cho FEM trong khi truyền
Chiều dày của đầu dò D1.5 và D1.6 được thiết kế là 1mm và 0.3mm Được đặt ở khoảng cách giống như trong thực nghiệm Áp suất được lấy ra từ mô hình FEM này và được mô hình hóa, tính toán bằng phần mềm MATLAB.
Hình 3.20: Thiết lập lớp vật lý Acoustic-Piezoelectric Interaction
Mô hình FEM cho hướng truyền: Dữ liệu áp suất từ mô hình truyền được đưa vào và thiết lập như là áp suất đến trong miền sóng âm Trong nghiên cứu này, áp suất được lấy từ mô hình FEM truyền, sẽ được ước tính bằng chương trình MATLAB để thiết kế một hàm toán học phù thuộc vào tần số Hàm toán học này được áp dụng vào mô hình thu như một áp suất đến bằng các điều kiện biên Sau đó, dạng xung của đầu dò siêu âm được thu thập trên lớp PZT và hiện thị lên màn hình
Hình 3.21: Thiết lập cho mô hình FEM nhận
Mô phỏng độ nhạy của đầu dò siêu âm
Đối với mô hình mô phỏng 1D, độ nhạy được mô phỏng dựa trên các mã Matlab (Xtrans) Mã này đã được sửa đổi bằng cách viết mã mới trong chương trình chính để gọi kết quả và viết chương con mới để tính toán độ nhạy dựa trên các kết quả trong các mã cũ. Đối với phân tích 2D, bằng cách sử dụng các mô hình FEM trong COMSOL truyền một lần nữa, độ nhạy truyền cũng như độ nhạy nhận được xác định Bảng 3.7 liệt kê tất cả các biểu thức được sử dụng trong mô phỏng cho sự nhạy cảm của đầu dò Dựa trên định nghĩa của chúng, độ nhạy truyền SvI A và hở mạch, lực MVF (A; ∞) đều bình đẳng Do đó, chỉ COMSOL FEM truyền được áp dụng để mô phỏng độ nhạy Kết quả sẽ được so sánh với việc đo lường để kiểm tra tính chính xác của mô hình Các kết quả được trình bày trong chương 4.
Bảng 3.8: Công thức tính độ nhạy
I_piezo 2*pi*intop1(r*acpz.nJ) The current of transducer [A]
Trans aveop1(acpz.u_tZ/Ipiezo) Average transmitting sensitivity S vI A [m/sA]Trans_mag abs(aveop1(acpz.u_tZ/ Magnitude of S vI A [m/sA]
Ipiezo)) Trans_phas e arg(trans)*(180/pi) Phase of S vI A
Điện trở kháng của đầu dò siêu âm
Hình 4.1 và Hình 4.2 trình bày kết quả tốt giữa mô phỏng (Xtrans và các mô hình Comsol) và đo lường cho D1.5 và D1.6, tương ứng Rõ ràng, trở kháng hoặc mô phỏng hoặc đo phù hợp tốt với các lỗi nhỏ ở vị trí cộng hưởng và chống cộng hưởng Các phân tích đo đạt này được khảo sát ở tần số từ 0 Hz đến
10 MHz.Tần số cộng hưởng của cảm biến là khoảng 3,9 MHz Chế độ rung động đầu tiên theo độ dày (khoảng 3,9 MHz) và chế độ rung động xuyên tâm (từ 1 KHz đến 1 MHz) được thể hiện trên hình Đối với chế độ này xuyên tâm, hướng rung hướng vuông góc với hướng phân cực.Đường kính theo hướng tuyên truyền là lớn hơn nhiều so với độ dày của nó Kể từ khi tần số cộng hưởng phụ thuộc vào đường kính của đầu dò, do đó chiều dài lớn thì có tần số cộng hưởng thấp Đối với chế độ độ dày này, những rung động được định hướng theo hướng phân cực Tần số cộng hưởng phụ thuộc vào độ dày của thiết bị, do đó, một tấm mỏng thì có tần số hoạt động cao.
Hình 4.22: Điện trở kháng của đầu dò D1.5 hoạt động trong môi trường nước được so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm
Hình 4.23: Điện trở kháng của đầu dò D1.5 hoạt động trong môi trường nước được so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm
Chế độ rung theo chiều ngang và theo chiều dày cũng được quan sát thấy hình dạng hình 4.1 và hình 4.2 Đối với chế độ xuyên tâm, hướng của rung động được định hướng là vuông góc với hướng phân cực Đường kính theo hướng truyền theo chế độ này lớn hơn nhiều so với độ dày của nó Vì vậy, khi nói tần số cộng hưởng phụ thuộc vào đường kính có nghĩa là chiều dài càng lớn ngụ ý tần số cộng hưởng càng thấp Đối với chế độ cộng hưởng theo chiều dày, những rung động được định hướng theo hướng phân cực Tần số cộng hưởng phụ thuộc vào độ dày của thiết bị, do đó, một tấm mỏng thì sẽ có tần số cộng hưởng rất cao.
Cuối cùng, từ kết quả có được, ta có thể quan sát thấy rằng sự khác biệt trong biên độ cũng như pha giữa đo lường và mô phỏng cho hai cảm biến (D1.5 và D1.6) đầu khá là giống nhau trong khoảng khảo sát từ 1MHz đến 10 MHz,như đã thấy trong hình 4.4 và hình 4.5 Cả mô phỏng và đo lường đều có cùng tần số cộng hưởng và tần số chống cộng hưởng.
Dạng sóng của đầu dò siêu âm khi hoạt động và băng thông của nó
Hình 4.3 và Hình 4.4trình bày và so sánh kết quả của các mô phỏng (đường màu xanh) và các phép đo thực tế (một trong những màu đỏ) Nhìn từ các đồ thị, mặc dù hình dạng dạng sóngkết quả của các đầu dò là khá trùngnhau 0-1,3 ms, nhưng biên độ của xung trong mô phỏng là nhỏ hơn so với đo lường, dẫn đến sự khác biệt về băng thông hoạt động của nó (45,3 % và 44% tương ứng cho D1.5 và 49% và 48,8% tương ứng cho D1.6).
Hình 4.24: So sánh dạng sóng và băng thông của đầu dò siêu âm D1.5
Hình 4.25: So sánh dạng sóng và băng thông của đầu dò siêu âm D1.6
Như đã thấy từ hình 4.3, hình 4.4, chiều dài xung D1.5 và D1.6 là dài hơn so với đầu dò bán trên thị trường Nguyên nhân gây ra do bởi vật liệu của lớp đệm (backing) Lớp backing nằm đằng sau các yếu tố áp điện để tránh rung động quá mức, do đó nó cần phải có sự suy giảm cao Đây là yếu tố để đảm bảo rằng sóng phản xạ được hấp thụ hoàn toàn để ngăn chặn các tín hiệu phản xạ trở lại vào các vật liệu áp điện gây nhiễu Tuy nhiên, bằng cách thêm các lớp backing cho đầu dò siêu âm, sự nhạy cảm của thiết kế sẽ giảm Trong dự án này, các lớp backingcủa đầu dò (D1.5 và D1.6) là không khí Mặc dù, không khí cung cấp độ nhạy tốt nhưng xung truyền được tạo ra có một vòng truyền có thời gian dài hơn khi so sánh với các vật liệu khác Dẫn đến kết quả, băng thông không phải là rộng Để khắc phục vấn đề này, một vật liệu với hệ số suy giảm độ cao được chọn để giảm chiều dài của xung Sau đó, bằng cách thêm một lớp matching phù hợp để nâng cao hiệu quả chuyển giao năng lượng theo hướng về phía trước, thời gian vòng sẽ giảm xuống.
Sự khác biệt cũng có thể được tìm thấy giữa mô phỏng và thực nghiệm của hai đầu dò ngay cả khi những xung hình dạng và băng thông có xu hướng tương tự nhau Sự khác biệt có thể đến từ ba lý do: chế tạo, đo lường và các thông số được sử dụng trong mô hình FEM (Comsol).
Rõ ràng, quy trình chế tạo là một lý do đáng ghi nhận ảnh hưởng đến dạng sóng và băng thông của đầu dò siêu âm Độ dày của lớp matching đặt ở phía trước của lớp áp điện (PZT) không đồng đều (lỗi này là từ 5 đến 10 ms) Do đó, kết quả có thể có một sự khác biệt nếu độ dày của lớp này được thay đổi Trong trường hợp, nếu độ dày của lớp liên kết dày, hình dạng xung và băng thông có thể không có một kết quả cuối cùng tốt.Hơn nữa, chế tạo là một quá trình phức tạp, do đó kinh nghiệm đóng vai trò quan trọng Ví dụ, trong các bước liên kết các lớp lại với nhau, nếu thiếu kinh nghiệm, độ dày của lớp liên kết sẽ không bằng việc tính toán lý thuyết Do vậy, kết quả cuối cùng sẽ bị ảnh hưởng D1.5 là một sản phẩm đầu tiên, do đó băng thông của bộ chuyển đổi là khá nhỏ so với băng thông của bộ chuyển đổi D1.6 Đó là lý do tại sao D1.6 có luôn kết quả tốt hơn so với D1.5 (xem hình 4.3 và 4.4) Cải thiện kinh nghiêm trong việc làm đầu dò là một cách hiệu quả để có mẫu tốt nhất. Đối với mô phỏng, trước tiên, cấu trúc của mô hình này là không giống sản phẩm một cách chính xác tuyệt đối Độ dày của lớp PZT và matching có thể được thay đổi một chút Trong mô phỏng cho D1.5, lớp PZT là 445 mm trong khi độ dày của PZT cho chế tạo là 438 mm Tương tự như vậy, độ dày của PZT cho D1.6 là 440 và 438 mm cho mô phỏng và chế tạo tương ứng.Thứ hai, khi các vật liệu của PZT được sử dụng, các thông số của mất mát và hằng số điện môi không được cấu hình chính xác tuyệt đối, dẫn đến lỗi giữa mô phỏng và đo lường Cuối cùng, các lỗi có thể được xuất hiện khi áp suất được lấy ra từ các mô hình truyền để ước lượng vào hàm toán bằng cách sử dụng Matlab trước khi nó được nhập vào mô hình nhận.
Độ nhạy của đầu dò siêu âm
Hình 4.5 và Hình 4.6 chỉ ra các điện áp và dòng điện của tín hiệu điện áp đầu vào và xung điện áp ra của đầu dò siêu âm cho D1.5 và D1.6.
Hình 4.26: Điện áp và dòng điện của tín hiệu đầu vào và của đầu dò siêu âm
Hình 4.27: Điện áp và dòng điện của tín hiệu đầu vào và của đầu dò siêu âm
Bằng cách áp dụng phương trình trong chương 2 và bộ lọc Wiener trong chương 3, độ nhạy truyền của đầu dò SvI A, S FI A cũng như độ nhạy khi nhận của đầu dò MFI (A; ∞) của D1.5 và D1.6 được hiển thị trong hình 4.7, và hình 4.8. Như có thể thấy từ những con số, độ nhạy truyền SvI A cũng như độ nhạy nhận MFI (A; ∞) của D1.5 và D1.6 cho thấy những xu hướng khác nhau trong dải tần số hoạt động từ 1,5 MHz đến 6 MHz Biên độ của độ nhạy đầu dò D1.5 tăng nhẹ lên 0,4 (V / N) vào khoảng 3,25 MHz, chững lại đến 4,2 MHz, trước khi, nó đạt đến một đỉnh cao của 0,52 (V / N) ở mức 4,5 MHz Sau đó, độ nhạy của D1.5 giảm dần đến xấp xỉ 0,05 (V / N) tại 5,6 MHz
Trong khi đó, đối với D1.6, các độ nhạy truyền SvI A hoặc độ nhạy của đầu dò siêu âm trong khi nhận MFI (A; ∞) đạt mức cao nhất là 0,6 (V / N) tại tần số 3,5
MHz, sau do dao động nhẹ giữa 3,5 MHz và 4,85 MHz, trước khi nó giảm xuống khoảng 0 (V / N) tại 6 MHz Pha của hai đầu dò cho thấy khá tuyến tính trong băng tần hoạt động.
Hình 4.28: Độ nhạy truyền S vI hoặc độ nhạy nhận M FI A ;∞ của đầu dò siêu âm D1.5
Hình 4.29: Độ nhạy truyền S vI hoặc độ nhạy nhận M FI A ;∞ của đầu dò siêu âm D1.5
Kết quả thu được từ mô phỏng Xtrans và mô hình FEM của độ nhạy hai đầu dò được thể hiện trong hình 4.9 và con 4.10 Lỗi giữa mô phỏng và đo lường nhỏ(cả cường độ và tần số) cho D1.5 và D1.6 tương ứng.
Hình 4.30: Các so sánh độ nhạy của đầu dò D1.5 giữa mô phỏng và đo lường.
Hình 4.31: Các so sánh độ nhạy của đầu dò D1.6 giữa mô phỏng và đo lường.
Từ con số 4.9 và hình 4.10, không chỉ các độ nhạy truyền và lực của độ nhạy nhận đầu dò D1.6 cao hơn D1.5 mà băng tần hoạt động của D1.6 cũng rộng hơn D1.5 Thiếu kinh nghiệm là nguyê nhân chính tạo ra những khác biệt này Như đã đề cập trước khi, D1.5 là sản phẩm đầu tiên, vì vậy mà các kỹ năng thực hành không được tốtnhư với D1.6 Đó là lý do tại sao các kết quả của D1.6 luôn luôn là tốt hơn so với D1.5.
Thêm vào đó, mô hình Xtrans và FEM được phát triển cho các mô phỏng đo độ nhạy để so sánh với đo lường Sự giống nhau giữa đo lường và mô phỏng có thể được coi là khá tốt Nó có nghĩa là phương pháp được sử dụng trong đo lường và mô phỏng có tính chính xác cao Do đó, mô hình này có thể áp dụng cho nhiều kiểu dáng khác nhau với thay đổi các thông số vật liệu hoặc hình dáng
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN
Kết luận Đầu dò được sử dụng để phát và nhận tín hiệu siêu âm là một thiết bị không thể thiếu trong sự phát triển của hệ thống siêu âm Do đó, đầu dò siêu âm được nghiên cứu và sản xuất đều đặn trong những thập kỷ vừa qua Nghiên cứu này tập trung khảo sát vào các đặc tính của các đầu dò siêu âm bằng cách sử dụng mô hình FEM trong COMSOL MULTIPHYSICS dựa vào phương pháp xung echo Sau đó, thiết kế này được kiểm tra bằng cách so sánh với thực nghiệm để có được kết quả đáng tin cậy hơn, lặp lại và nhất quán Phương pháp mới này dùng để xác định điện kháng, xung dài, băng thông, và độ nhạy rất thuận lợi bởi vì đơn giản hoá các thủ tục và giảm số lượng các phép đo điện cũng như các thành phần hệ thống cần thiết so với các phương pháp trước đây Đầu tiên, mô hình toán học của hệ thống được đưa ra Sau đó, đầu dò siêu âm dùng phần mềm XTRANS (1D) và COMSOL (2D) để thiết kế và khảo sát các đặc tính của nó Tuy nhiên, mô phỏng 1D này cũng có những nhược điểm như: độ chính xác không cao do bỏ qua tác động của độ dày đầu dò siêu âm, dẫn đến sai số Để tránh hiện tượng này, mô phỏng 2D được đưa ra, mô hình FEM được sử dụng để khảo sát những đặc tính của đầu dò cũng như so sánh với mô hình 1D, và kết quả thực tế Mô hình 2 D này có độ chính xác cao mô hình.
Mô hình FEM này cũng còn những nhược điểm, đó là độ tính toán ở mức phức tạp cao, cấu hình phức tạp, cần nhiều thông số về vật liệu Kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm được đưa ra để so sánh tính hiệu quả của chương trình mô phỏng.
Các giá trị đo đồng ý với hầu hết các giá trị mô phỏng với sai số nhỏ các thông số nghiên cứu Do đó, các mô hình này có thể được xác nhận cho nhiềuứng dụng hơn nữa và dự đoán tốt hiệu suất đầu dò Nhiều kiểu dáng khác nhau có thể được mô phỏng với các thông số vật liệu hoặc các biến thiết kế hình học để nghiên cứu sự thay đổi trong thăm dò biểu diễn xung vọng Vì vậy, cùng một phương pháp cũng như thiết bị có thể được lặp lại đối với các đặc tính của đầu dò khác.
Hướng nghiên cứu tiếp theo
So sánh phương pháp mô phỏng vừa đưa ra với các phương pháp thông minh, phức tạp hơn để hiểu rõ được ưu điểm và nhược điểm của phương pháp vừa được công bố. Đưa ra các giải pháp mới nhằm nâng cao hiệu quả của mô hình mô phỏng để đạt sự thống nhất cao vơi đo lường
Trong phạm vi của đề tài, thuật toán chỉ áp dụng cho 2 đầu dò siêu âm, tiếp theo tác giả định hướng mở rộng cho nhiều loại đầu dò khác.
[1] R E McKeighen, “Design guidelines for medical ultrasonic arrays,” in
[2] C Dang, L W Schmerr, and A Sedov, “Ultrasonic transducer sensitivity and model-based transducer characterization,” Res.
Nondestruct Eval., vol 14, no 4, pp 203–228, Dec 2002.
[3] E L Carstensen, “Self‐Reciprocity Calibration of Electroacoustic
Transducers,” J Acoust Soc Am., vol 19, no 6, pp 961–965, Nov. 1947.
[4] J M Reid, “Self‐reciprocity calibration of echo‐ranging transducers,” J.
Acoust Soc Am., vol 55, no 4, pp 862–868, Apr 1974.
[5] L W Schmerr, Fundamentals of Ultrasonic Nondestructive Evaluation.
[6] J Mylvaganam, “Characterization of medical piezoelectric ultrasound transducers using pulse echo methods.,” 2007.
[7] L Berquez and J.-L Franceschi, “Modeling and characterization of transducers for thermoacoustic signal,” Sens Actuators Phys., vol 69, no 2, pp 115–120, Tháng Tám 1998.
[8] C Dang, L W Schmerr, and A Sedov, “Modeling and Measuring All the Elements of an Ultrasonic Nondestructive Evaluation System I: Modeling Foundations,” Res Nondestruct Eval., vol 14, no 3, pp 141–
[9] C BV and C OY, “COMSOL Multiphysics Reference Guide\copyright
[10] “FEM Simulation for ‘pulse-echo’ Performances of an Ultrasound
Imaging Linear Probe - spicci_abstract.pdf.” [Online] Available: https:// www.comsol.asia/paper/download/181455/spicci_abstract.pdf.
[11] Y Xu, Ferroelectric materials and their applications Amsterdam ; New
York : New York, NY, USA: North-Holland ; Sole distributors for the USA and Canada, Elsevier Science Pub Co, 1991.
[12] S Rhee, T A Ritter, K K Shung, H Wang, and W Cao, “Materials for acoustic matching in ultrasound transducers,” in 2001 IEEE Ultrasonics
[13] T R Gururaja and R K Panda, “Current status and future trends in ultrasonic transducers for medical imaging applications,” in Proceedings of the Eleventh IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics, 1998 ISAF 98, 1998, pp 223–228.
[14] G Jiang, H Zhang, Z Liu, S Zhang, and L Fan, “Acoustic Energy
Regulation and Quality Factor Improvement in Acoustic Liquid Sensors by Optimized Structural Design,” Appl Phys Express, vol 6, no 8, p.
[15] C BV and C OY, “COMSOL Multiphysics Reference Guide\copyright
[16] K Chun and H Kim, “Monolithic integration of the digitized pressure sensor and the micromechanical switch for the application of a pressure transponder,” Microelectron J., vol 29, no 9, pp 621–626, Tháng Chín 1998.
[17] Dan Zhou, Kwok Fung Cheung, Yan Chen, Sien Ting Lau, Qifa Zhou,
K K Shung, Hao Su Luo, Jiyan Dai, and H L W Chan, “Fabrication and performance of endoscopic ultrasound radial arrays based on PMN-
PT single crystal/epoxy 1-3 composite,” IEEE Trans Ultrason.
Ferroelectr Freq Control, vol 58, no 2, pp 477–484, Feb 2011.
[18] E Họnsler and G Schmidt, “Wiener Filter,” in Acoustic Echo and Noise
Control:A Practical Approach, Wiley-IEEE Press, 2004, pp 53–60.
[19] “INPUT IMPEDANCE OF AN OSCILLOSCOPE AND THE SCOPE
PROBE | ECE Undergraduate Laboratory.” [Online] Available:http://centers.njit.edu/ecelab/manuals/electrical-engineering/ece-291/ lab7.php [Accessed: 17-Apr-2016].