Nghiên cứu ảnh hưởng của định dạng hình học bề mặt tới định dạng phân bố áp suất âm của đầu dò siêu âm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI *** Hoàng Thị Lê Vân NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỊNH DẠNG HÌNH HỌC BỀ MẶT TỚI ĐỊNH DẠNG PHÂN BỐ ÁP SUẤT ÂM CỦA ĐẦU DÒ SIÊU ÂM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT Y SINH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Trịnh Quang Đức Hà Nội - 2016 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập nghiên cứu, với giúp đỡ bảo tận tình thầy giáo, động viên khích lệ gia đình, đồng nghiệp bạn bè với cố gắng thân, tác giả hoàn thành đề tài luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng định dạng hình học bề mặt tới định dạng phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm ” Với tình cảm chân thành, tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới TS Trịnh Quang Đức người hướng dẫn, giúp đỡ, bảo tác giả tận tình suốt trình thực đề tài Tác giả xin chân thành cảm ơn Viện Sau đại học, Viện Điện tử viễn thông Đại học Bách khoa Hà Nội, thầy cô giáo tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trình học tập, nghiên cứu thực luận văn Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp vơ q báu thầy giáo, đồng nghiệp, bạn bè giúp đỡ tác giả hoàn thành đề tài luận văn Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 28 tháng năm 2016 Học viên Hồng Thị Lê Vân LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan, tơi viết luận văn tìm tịi nghiên cứu thân Các số liệu luận văn có thực, kết nghiên cứu ý tưởng tác giả trích dẫn nguồn gốc cụ thể, rõ ràng Luận văn chưa bảo vệ hội đồng bảo vệ luận văn thạc sỹ chưa công bố phương tiện thông tin Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm mà tơi cam đoan Hà Nội, ngày 28 tháng năm 2016 Học viên Hoàng Thị Lê Vân MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN PHẦN MỞ ĐẦU 1 Giới thiệu cảm biến áp điện Phân bố áp suất âm dạng đầu dò 2.1 Trường áp suất âm đầu dò dạng điểm 2.2 Trường áp suất âm đầu dò dạng phẳng 10 2.3 Trường áp suất âm đầu dò dạng cầu lõm 11 Ứng dụng đầu dò áp điện y tế 12 3.1 Tạo ảnh siêu âm 12 3.1.1 Ảnh B-Mode đo A-Mode 12 3.1.2 Ảnh C-Mode 15 3.2 Siêu âm điều trị 16 Vai trò thiết kế đầu dò phương pháp số 18 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20 1.1 Phương trình mơ tả lan truyền sóng âm 21 1.2 Xây dựng phương trình mơ tả phân bố áp suất âm 24 1.3 Phương pháp số hóa 25 1.4 Lựa chọn công cụ mô 28 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG PHÂN BỐ ÁP SUẤT ÂM 30 2.1 Xác định tham số đầu vào 30 2.1.1 Tham số tốc độ truyền sóng mơi chất c 30 2.1.2 Tần số sóng âm 30 2.1.3 Áp suất âm cực đại nguồn phát sóng điểm 30 2.1.4 Độ rộng mặt phẳng quan sát phân bố áp suất âm 31 2.2 Xây dựng lưu đồ thuật toán 31 2.3 Xây dựng mặt phẳng mặt bậc hai 33 2.3.1 Mặt cầu lõm 33 2.3.2 Mặt cầu lồi 34 2.3.3 Mặt Ellipse lõm 36 2.3.4 Mặt Ellipse lồi 42 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 44 3.1 Phân bố áp suất âm mặt phẳng 44 3.2 Phân bố áp suất âm mặt cầu lõm 49 3.3 Phân bố áp suất âm mặt cầu lồi 54 3.4 Phân bố áp suất âm mặt Ellipse lõm 57 3.5 Phân bố áp suất âm mặt Ellipse lồi 68 KẾT LUẬN 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1: Cấu tạo đầu dò áp điện Hình 2: Đầu dị siêu âm dạng phẳng Hình 3: Đầu dò siêu âm dạng lõm Hình 4: Đầu dò siêu âm mảng pha Hình 5: Phân bố áp suất âm đầu dò điểm Hình 6: Phân bố áp suất âm đầu dò dạng phẳng 10 Hình 7: Phân bố áp suất âm đầu dò dạng cầu lõm 11 Hình 8: Nguyên lý tạo ảnh B-Mode 13 Hình 9: Ảnh B-Mode mạch máu 14 Hình 10: Nguyên lý quét ảnh C-Mode 15 Hình 11: Ảnh Siêu âm C-Mode 3D 16 Hình 12: Trị liệu siêu âm 16 Hình 13: Sử dụng siêu âm phẫu thuật 17 Hình 14: Búp sóng phụ sinh mặt phẳng 19 Hình 1.1: Minh họa giả định mô 27 Hình 2.1: Lưu đồ thuật tốn mơ số trường áp suất âm 32 Hình 2.2: Phân bố điểm nguồn phát sóng mặt cầu lõm 34 Hình 2.3: Phóng đại phân bố điểm nguồn phát sóng âm mặt cầu 34 Hình 2.5: Biểu diễn cách vị trí nguồn điểm phát sóng 36 Hình 2.6: Họ đường cong Conic 37 Hình 2.7: Họ đường cong Ellipse 38 Hình 2.8: Phân bố nguồn điểm phát sóng đoạn cong Ellipse 39 Hình 2.9: Biểu diễn góc tới hạn  40 Hình 2.10: Biểu diễn phân bố xếp tuyến tính hóa điểm nguồn phát sóng 41 Hình 2.11: Phóng đại xếp lại điểm nguồn phát sóng tuyến tính hóa 41 Hình 2.12: Phân bố điểm nguồn phát sóng dạng phi tuyến 43 tuyến tính 43 Hình 3.1: Phân bố áp suất âm đầu dò phẳng 0.5 mm 45 Hình 3.2: Phân bố áp suất âm đầu dò 1.6 mm 46 Hình 3.3: Phân bố áp suất âm đầu dò 6.4 mm 47 Hình 3.4: Phân bố áp suất âm đầu dò 16 mm 48 Hình 3.5: Phân bố áp suất âm đầu dò cầu lõm R=40 50 Hình 3.6: Phân bố áp suất âm đầu dò cầu lõm R=30 51 Hình 3.7: Phân bố áp suất âm đầu dò cầu lõm R=20 52 Hình 3.8: Phân bố áp suất âm đầu dị siêu âm cầu lõm góc nhìn 450 53 Hình 3.9: Phân bố áp suất âm đầu dị siêu âm cầu lõm góc nhìn 600 54 Hình 3.10: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm cầu lồi R=40 mm, α=300 55 Hình 3.11: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm cầu lồi R=30 mm, α=300 56 Hình 3.13: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=10 mm, b=20 mm, α=350 58 Hình 3.14: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=10 mm, b=30 mm, α=350 59 Hình 3.15: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=10 mm, b=40 mm, α=350 60 Hình 3.16: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=10 mm, b=50 mm, α=350 61 Hình 3.17: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=20 mm, b=40 mm, α=350 62 Hình 3.18: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=25 mm, b=40 mm, α=350 63 Hình 3.19: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=10 mm, b=40 mm, α=350 64 Hình 3.20: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=10 mm, b=30 mm, α=200 65 Hình 3.21: Phân bố áp suất âm đầu dị siêu âm Ellipse lõm a=10 mm, b=30 mm, α=300 66 Hình 3.22: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=10 mm, b=30 mm, α=400 67 Hình 3.23: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=10 mm, b=30 mm, α=500 68 Hình 3.24: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm Ellipse lồi a=10 mm, b=20 mm, α=350 69 Hình 3.25: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm Ellipse lồi a=10 mm, b=30 mm, α=350 70 Hình 3.26: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm Ellipse lồi a=10 mm, b=40 mm, α=350 71 Hình 3.27: Phân bố áp suất âm đầu dị siêu âm Ellipse lồi a=10 mm, b=50 mm, α=350 72 PHẦN MỞ ĐẦU Tia siêu âm hội tụ có vai trị quan trọng ứng dụng y tế cải thiện độ tương phản ảnh siêu âm tạo lợi điều trị không xâm lấn Đối với ảnh siêu âm, tín hiệu phản xạ sóng âm phụ thuộc vào trở kháng âm vốn đặc trưng mật độ vật chất hay trọng lượng riêng vật chất Ở mô mềm, cấu tạo mô sinh học thường có trọng lượng riêng gần chứa đến 80% nước, đó, phân biệt tín hiệu sóng âm phản xạ khơng đáng kể Trước đây, tia siêu âm quét ảnh siêu âm sử dụng tia siêu âm có dạng piston phát từ đầu dò dạng phẳng, tức không hội tụ Những tia siêu âm cho phân bố áp suất âm theo chiều dọc khơng có phân biệt đáng kể Chính thế, phân biệt tín hiệu siêu âm phản xạ khơng lớn, lý giải thích độ tương phản ảnh siêu âm thấp Muốn tăng độ tương phản, cần phải tăng cường độ áp suất âm, mà điều phụ thuộc vào kích thước phần tử áp điện, cường độ sóng âm lớn gây tác dụng không tốt tới thể Do đó, việc tạo tia siêu âm hội tụ có ý nghĩa quan trọng việc giải vấn đề tăng độ tương phản ảnh siêu âm, vùng hội tụ, áp suất âm có giá trị lớn phân biệt so với giá trị áp suất âm nơi khác Sự tăng áp suất âm cho tín hiệu phản xạ lớn khác biệt giá trị trở kháng âm khuyếch đại Ở phương pháp điều trị không xâm lấn tia siêu âm, tập trung giá trị áp suất âm vùng hội tụ tương tác vật lý với đối tượng cần điều trị mà không làm ảnh hưởng tới vùng không cần điều trị Ví dụ điều trị tán sỏi, vùng hội tụ siêu âm tác động học lên vùng bị sỏi hóa vùng lân cận không bị ảnh hưởng Nếu giá trị áp suất âm không đủ lớn, tác động vật lý không đủ mạnh để làm tan sỏi vùng khác có giá trị áp suất âm nhỏ khơng gây tổn hại đến mô sống thể Những nghiên cứu trước sử dụng phương pháp tạo tia siêu âm hội tụ đầu dò mặt cầu lõm Những tia siêu âm hội tụ tạo từ mặt cầu lõm có đặc tính vùng hội tụ nằm tâm mặt cầu lõm Tùy thuộc vào kích cỡ đầu dị mà vùng hội tụ có kích thước khác Đường kính vùng hội tụ phụ thuộc vào tần số sóng âm, độ rộng dọc ngồi tần số sóng âm cịn phụ thuộc vào tỷ lệ tiêu cự so với đường kính thiết diện phần tử áp điện Nếu tỷ lệ tức thiết diện phát tia cầu khép kín độ rộng dọc vùng hội tụ với đường kính vùng hội tụ Chế tạo đầu dị khơng thể tạo ứng dụng, lý vùng hội tụ siêu âm tia siêu âm hội tụ ln có dạng ellipse tức độ rộng dọc vùng hội tụ ln lớn đường kính vùng hội tụ Trong quang học, tính chất dạng ellipse vùng hội tụ tác dụng mặt cầu gọi cầu sai Để xử lý dạng quang sai cầu sai, người ta tính đến phương pháp tạo hội tụ từ mặt phi cầu Cũng tương tự vậy, để tăng tỷ lệ tín hiệu nhiễu tạp antena đặc biệt antena đòi hỏi độ nhạy cao, antena hội tụ dạng phi cầu áp dụng Dạng phi cầu mặt lõm cho nhiều hứa hẹn tạo dạng phân bố áp suất tương ứng với độ rộng bề mặt phát tia có lợi cho ứng dụng đòi hỏi độ tập trung phân biệt cao chùm tia siêu âm Xuất phát từ ý tưởng áp dụng kỹ thuật hội tụ phi cầu, luận văn thạc sĩ đề xuất nghiên cứu thử nghiệm mô phân bố áp suất âm mặt phi cầu Do giới hạn thời gian, đề tài dừng lại nghiên cứu phân bố áp suất âm mặt ellipse Để đơn giản giảm thiểu khối lượng tính tốn, đề tài giả thiết phân bố áp suất âm không gian dạng 3D tổng hợp mặt cắt phân bố áp suất âm nhiều mặt phẳng cắt lớp, phân bố áp suất âm mặt ellipse có dạng giống phân bố áp suất âm đường ellipse mà có chứa điểm phát sóng âm lý tưởng mặt phẳng để chọn khảo sát trùng khớp với mặt phẳng chứa điểm phát sóng âm hội tụ thay đổi rõ rệt so với kết thí nghiệm biểu diễn hình 3.13 Điểm hội tụ rơi vào khoảng cách chừng 10 mm so với trục hoành So với điểm hội tụ tập trung khoảng cách chừng mm trường hợp a=10 mm, b=40 mm kết trình bày hình 3.13 với kết trình bày đây, thay đổi rõ mặt khoảng cách Độ dài trục dọc vùng hội tụ tăng lên khoảng 13 mm Như vậy, nhận xét thay đổi khoảng cách trục ngang đường bao ellipse gây ảnh hưởng đáng kể so với trục dọc Để khảo sát rõ tượng này, độ rộng trục ngang đường bao mặt Ellipse lõm tăng lên thêm đơn vị mm Sự giới hạn độ rộng trục ngang độ dài trục dọc, b, a=b, đường bao khơng cịn đường Ellipse mà trở thành đường tròn, mà điều khảo sát phần 3.2 Hình 3.17: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=20 mm, b=40 mm, α=350 Hình 3.18 trình bày kết mô với điều kiện hình 3.17 có thay đổi, a=25 mm Như hình ảnh trình bày, điểm hội tụ miền hội tụ 62 tăng lên 15 mm so với trục X độ dài trục dọc vùng hội tụ tăng thêm lên đến 15 mm Sự tăng cho thấy so với kết khảo sát điều kiện a giữ nguyên b thay đổi thay đổi nhỏ không rõ ràng, thay đổi kiểu b giữ nguyên a biến thiên thay đổi thể kết mô rõ Sự tăng tham số a mà giữ nguyên tham số α cho thấy độ dài cung cong thay đổi, cụ thể với a tăng mà α giữ ngun, độ dài cung trịn tăng lên, đó, đường kính đầu dị phát tia tăng lên khoảng cách trường gần tăng lên Tuy nhiên, tốc độ tăng cung cong không tỷ lệ tuyến tính với tốc độ tăng tiêu cự đường bao Ellipse, đó, dễ thấy, độ dài dọc vùng hội tụ tăng lên Hình 3.18: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=25 mm, b=40 mm, α=350 63 Hình 3.19 biểu diễn phân bố áp suất âm đầu dị hình Ellipse lõm với a=30mm Như hình ảnh thể tia siêu âm hội tụ điểm có khoảng cách 28 mm so với trục hồnh tọa độ Khác với kết trước, phân bố áp suất âm này, độ dài trục dọc vùng hội tụ tăng lớn, chừng 20 mm Độ rộng mặt phát tia tăng lên đến gần 20 mm Như vậy, đường bao Ellipse gần với đường trịn, đặc tính vùng hội tụ gần với đặc tính vùng hội tụ mặt cầu lõm Hình 3.19: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=30 mm, b=40 mm, α=350 Tiếp theo, để khảo sát thêm đặc tính đầu dị siêu âm hình Ellipse lõm, phụ thuộc vùng hội tụ vào thông số α cần khảo sát Cũng toán trước, tất tham số liên quan đến đường cong phát tia giữ nguyên góc nhìn từ tâm α thay đổi để quan sát quy luật phụ thuộc Các giá trị a = 10 mm b = 30 mm chọn để làm số suốt q trình góc α bị thay đổi 64 Hình 3.20 biểu diễn trường phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm Ellipse lõm với giá trị tham số thí nghiệm a=10 mm, b=30 mm α=200, hình vẽ thể hiện, độ rộng đường kính phần tử phát tia mm, tiêu cự hội tụ mm Tuy nhiên đây, phần hội tụ không thấy cách rõ ràng, diện tích mặt phát tia hẹp, tia siêu âm có xu hướng phân tán lượng xa Chính vậy, hình vẽ tia phát siêu âm dường có xu hướng không hội tụ mà tạo tia siêu âm giống với tia siêu âm piston đầu dò siêu âm dạng phẳng Hình 3.20: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=10 mm, b=30 mm, α=200 Giữ nguyên giá trị a, b, nâng góc nhìn từ tâm, α lên đến giá trị 300, kết thí nghiệm trình diễn hình 4.21 Ở hình vẽ này, xu hướng hội tụ tia siêu âm cải thiện quan sát rõ Tiêu cự điểm hội tụ mm độ dài trục dọc vùng hội tụ mm Sở dĩ có hội tụ rõ ràng độ rộng đầu dị siêu âm tăng lên chừng mm 65 Dựa số liệu kết thí nghiệm tạm nhận xét hội tụ tia siêu âm đầu dị siêu âm hình Ellipse phụ thuộc vào đường kính đầu dị siêu âm Hình 3.21: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=10 mm, b=30 mm, α=300 Hình 3.22 kết phép mơ có tham số a, b hình 3.20 3.21 Tuy nhiên, góc nhìn α tăng lên 400 Quan sát hình vẽ cho thấy, độ rộng đầu dò tăng lên 10 mm khả hội tụ tia siêu âm tăng lên đáng kể Độ dài dọc trục miền hội tụ giảm xuống mm Như vậy, góc nhìn α cho thấy quy luật, với tăng góc nhìn, diện tích phát tia đầu dị siêu âm tăng lên khả hội tụ tia siêu âm tăng cường Để khẳng định thuộc tính này, thí nghiệm tiếp tục lặp lại với α=500 66 Hình 3.22: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=10 mm, b=30 mm, α=400 Ở điều kiện góc α=500, thấy tập trung tia siêu âm tiếp tục tăng lên, độ dài dọc trục miền hội tụ giảm xuống mm điểm hội tụ định vị mm cách trục hoành X Ở trường hợp độ rộng đầu dò siêu âm tăng lên 15 mm, tương ứng với tăng góc nhìn α lên 500 Với kết thí nghiệm với góc nhìn α biến thiên, rút nhận xét mang tính quy luật với độ cong đường Ellipse đặc trưng tham số độ rộng trục ngang độ dài trục dọc, tăng giá trị góc nhìn từ tâm đường Ellipse đó, đồng nghĩa với việc nới rộng diện tích vùng phát tia siêu âm, mặt Ellipse lõm đầu dò siêu âm cho hội tụ tốt hội tụ phụ thuộc vào giá trị góc nhìn từ tâm α 67 Hình 3.23: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=10 mm, b=30 mm, α=500 Một đặc điểm thú vị khác mà xun suốt các phép thí nghiệm mơ với đầu dị siêu âm mặt Ellipse lõm điểm hội tụ đầu dò siêu âm Ellipse lõm không nối tiếp với miền suy giảm giống đầu dò mặt phẳng đầu dò cầu lõm Nghĩa vùng hội tụ tia siêu âm phát từ mặt Ellipse lõm, dạng tia chia thành khu vực ảnh hưởng nhỏ gần giống cấu trúc trường gần đầu dò kiểu cầu lõm mặt phẳng Đây lợi cho ứng dụng đầu dò cần độ hội tụ cao, lượng trường gần bị phân tán Tóm lại, đặc thù trường phân bố áp suất âm đầu dò mặt Ellipse lõm cho phép hội tụ trường gần, khác với đặc tính đầu dị siêu âm dạng phẳng dạng cầu lõm 3.5 Phân bố áp suất âm mặt Ellipse lồi Đầu dò siêu âm dạng Ellipse lồi luận văn vốn không ý đặc biệt tính ứng dụng giống đầu dò dạng cầu lồi, chủ yếu tạo trường áp suất âm phân tán nên khả ứng dụng cho y tế 68 ứng dụng khác công nghiệp hạn chế Mục đích khảo sát so sánh với đầu dò siêu âm dạng cầu lồi xem tương tác với mơi trường ảnh hưởng tới ứng dụng quan tâm Ở khuôn khổ luận văn, phân tích trường phân bố áp suất âm dầu dị siêu âm dạng Ellipse lồi mục đích hướng tới phân tán áp suất âm lượng phân tán âm hay không Để khảo cứu tượng này, luận văn thử thí nghiệm mơ với tham số thay đổi chủ yếu trường áp suất âm đầu dị có độ dài trục dọc đường bao mặt Ellipse Luận văn xin đưa vài tính cụ thể thay đổi độ dài trục dọc đường bao Ellipse ảnh hưởng lên phân bố trường áp suất âm đầu dò siêu âm dạng Ellipse lồi phát Giả thiết tham số góc nhìn từ tâm hình Ellipse α, độ rộng trục ngang đường Ellipse không thay đổi Luận văn lựa chọn tham số a = 10 mm với α = 350 để tương tự với điều kiện mô khác Thông số b độ dài đường bao mặt Ellipse thay đổi để khảo sát phân tán áp suất âm tác dụng dạng phân bố áp suất âm Giá trị b thay đổi từ giá trị 20 mm đến 50 mm với bước thay đổi 10 mm Hình 3.24: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm Ellipse lồi a=10 mm, b=20 mm, α=350 69 Hình 3.24 kết mơ phân bố áp suất âm dầu dị hình Ellipse lồi với tham số b = 20 mm Ở dạng đầu dị này, dễ thấy áp suất âm có dạng phân kỳ, nhiên, góc phân kỳ vùng khơng có phân bố áp suất âm vùng có áp suất âm nhỏ, khoảng chừng 150, bỏ qua Ở trục hình ảnh phân bố áp suất âm cho thấy khu vực lõm, nghĩa áp suất âm không tập trung giống phân bố hình cầu lồi Các tia siêu âm hình thành với góc khác nhau, đó, xu hướng ln tăng với giá trị định so sánh với góc ban đầu trục tung, /2 Hình 3.25: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm Ellipse lồi a=10 mm, b=30 mm, α=350 Nếu góc ranh giới vùng khơng có phân bố áp suất âm vùng có áp suất âm hình vẽ 3.24 150, hình 3.25 chừng 100 Tuy nhiên, đặc điểm khác biệt, mà hình 3.25 cho thấy, tia áp suất âm phân bố đối xứng với phân bố áp suất âm hình 3.24 Phía vng góc với trục hồnh, trục tung mặt phẳng quan sát, thay xuất vùng đen, lại xuất vùng 70 trắng, nghĩa tập trung búp sóng áp suất âm Số lượng búp sóng tổng thể mặt phẳng quan sát giảm xuống thay hình 3.24 Vùng trường gần kích thước mặt phát tia dường khơng thay đổi Hình 3.26: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm Ellipse lồi a=10 mm, b=40 mm, α=350 Để tiếp tục khảo cứu quy luật phát tia, phân bố áp suất âm với tham số thay đổi, luận văn tiếp tục thử nghiệm với giá trị b = 40 mm Hình 3.26 trưng bày kết mô với giá trị b = 40 mm Cũng giống với kết mô dạng b = 30 mm, số lượng búp sóng hiển thị mặt phẳng 5, diện tích mặt phát tia khơng thay đổi nói cách khác khác biệt nhỏ không đáng kể Tuy nhiên, quan sát hình ảnh phân bố áp suất âm kết cho thấy phân bố tia siêu âm lớn so với ví dụ 71 Hình 3.27: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm Ellipse lồi a=10 mm, b=50 mm, α=350 Hình ảnh mơ hình 3.27 cho thấy tia búp sóng phụ có xu hướng tách rõ rệt, điều đặc biệt búp sóng phụ bị giảm xuống Cũng giống quy luật thể kết trên, góc mở búp sóng phụ tăng lên độ rộng phần tử phát tia tăng lên chút ít, khoảng 7.5 mm Ở mặt phát tia, theo hướng vuông góc với trục hồnh X, khơng thấy búp sóng xuất hiện, điều mà hình 3.25 3.26 thấy rõ Tóm lại dạng phân bố trường phân bố áp suất âm định dạng với số lượng phần tử phát tia đơn vị, số lượng khơng đổi suốt q trình thử nghiệm Có thể nhận xét rằng, giống phân bố áp suất âm đầu dò cầu lồi, tia siêu âm phát từ đầu dò dạng Ellipse lồi có xu hướng phân kỳ, búp sóng hình thành phân bố giống với phân bố trường gần phân bố áp suất âm đầu dị siêu âm cầu lồi, búp sóng hình thành có giới hạn, xa mặt phát tia, búp sóng lớn bành trướng diện tích chúng Như khác với đầu dị siêu âm dạng cầu lồi, phân bố áp suất âm tạo từ mặt Ellipse lồi khơng có tính phân bố mà có tính cục 72 KẾT LUẬN Luận văn, xuyên suốt trình từ cách đặt vấn đề đến lập luận phương pháp tiếp cận đề xuất phương án kỹ thuật mô số hóa dựa thuật tốn rời rạc cài đặt máy tính, điều mà phương pháp giải tích khó thực hiên với cơng cụ tốn học truyền thống Thơng qua phép mơ phỏng, luận văn trực quan hóa phân bố đầu dò siêu âm thiết kế với kích thước hình học khác bao gồm mặt phẳng, mặt cầu lõm mặt cầu lồi, mặt Ellipse lõm lồi Thông qua phép mô phỏng, luận văn cho thấy khác điểm phát tia, phần tử phát tia cỡ nhỏ, phần tử phát tia cỡ lớn, mặt phẳng, mặt lồi mặt lõm Những kết biểu diễn thông qua kết mô hồn tồn giải thích lý thuyết vật lý sóng dựa sở giao thoa Với phương trình số hóa, phải trả giá lượng tính tốn lớn, song thuật tốn cho thấy tính hiệu việc ứng dụng thuật tốn thiết kế đầu dò siêu âm theo hướng ứng dụng theo định có sẵn Những kết mơ rõ, đặc tính trường phân bố áp suất âm hình thành từ bề mặt phần tử phát tia Đối với phần tử phát tia dạng nhỏ, cho thấy phân bố gần với sóng cầu lý tường Đối với mặt cong lõm ví dụ cầu lõm hay Ellipse lõm, tia siêu âm phát có xu hướng tập trung điểm hội tụ mà quy luật điểm hội tụ Ở mặt lồi ví dụ cầu lồi hay Ellipse lồi, đầu dò cung cấp trường phân bố áp suất âm có xu hướng phân kỳ, ngược với đầu dị siêu âm mặt cầu lõm Điểm khác biệt đầu dò thiết kế với mặt cong khác biệt Với đầu dò thiết kế mặt cầu lồi hay lõm, phân biệt trường gần trường xa rõ rệt, đầu dò thiết kế mặt Ellipse lồi hay lõm, phân biệt không rõ ràng, búp sóng hình thành phân chia với ranh giới rõ, diện tích mặt phát tia có tăng lên hay khơng 73 Luận văn đề xuất phương án giải tuyến tính hóa phân bố điểm phát sóng mặt Ellipse, vốn khơng thể tìm phân bố hệ tọa độ Descartes, Cực, hay Cầu Thơng qua đây, phương pháp gợi ý cho việc mô mặt bậc hai khác Parabol, Hyperbol vốn họ với mặt cầu hay mặt Ellipse Sự xây dựng thuật tốn mơ cho thấy, trở thành cơng cụ để phát triển thiết kế mặt phi cầu, đặc biệt cho ứng dụng đặc biệt tạo ảnh y tế, điều biến tạo ảnh quang học điều trị y tế Thông qua thuật tốn này, đầu dị siêu âm kiểm chứng với thiết kế dự định ban đầu để đánh giá tiên liệu kết đầu đầu dò sản xuất Đề tài mong phát triển thêm để hoàn thiện công cụ tương lai 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trực quan hóa trường mơ áp suất âm theo góc nhìn mơ số, Trần Trọng Thắng, đại học Điện lực, Trịnh Quang Đức, đại học Bách Khoa Hà Nội Study on Discontinuity properties of phased - array ultrasound tranducer effecting to sound pressure fields pattern, Trịnh Quang Đức, Nguyễn Phan Kiên, đại học Bách Khoa Hà Nội, Trần Trọng Thắng, đại học Điện lực Heinrich Kuttruff, Acoustics: An Introduction, Taylor & Francis, London, 2007 Yufeng Zhou, Liang Zhai, Rebecca Simmons, and Pei Zhong, Measurement of high intensity focused ultrasound fields by a fiber optic probe hydrophone, J Acoust Soc Am, 120 (2), 2006, 676-685 T Boutkedjirt, R Reibold, Improvement of thelateral resolution of finite-size hydrophones bydeconvolution, Ultrasonics, 38 (2000), 745-748 Masaki Kobayashi, TakafumiKasamatsu, Yukihiro Shibuya and Masaru Enomoto, Optical Visualization of Ultrasound Pressure Fields in Turbid Media Based on Coherent Detection Imaging Technique, Jpn J Appl Phys.,45(1), 2006, 1836-1840 Richard Feynman, Lectures in Physics, Volume 1, Addison, London, 1969 J A Johnson, Numerical calculations of ultrasonic fields I: Transducer near fields, Journal of Nondestructive Evaluation, 1982, 3(1), 25-35 75 76 ... Hình 3: Đầu dò siêu âm dạng lõm Hình 4: Đầu dò siêu âm mảng pha Hình 5: Phân bố áp suất âm đầu dò điểm Hình 6: Phân bố áp suất âm đầu dò dạng phẳng 10 Hình. .. 52 Hình 3.8: Phân bố áp suất âm đầu dị siêu âm cầu lõm góc nhìn 450 53 Hình 3.9: Phân bố áp suất âm đầu dị siêu âm cầu lõm góc nhìn 600 54 Hình 3.10: Phân bố áp suất âm đầu dò siêu âm cầu... giới thiệu số phân bố áp suất âm dạng đầu dị siêu âm cơng cụ Phân bố áp suất âm dạng đầu dò Phân bố áp suất đầu dị trực quan hóa dựa hình dạng hình học đầu dị đặc tính sóng Phương pháp mơ sử dụng