Acoustic beam modeling of ultrasonic transducers and arrays using the impulse response and the discrete representation methods

Abstract

La respuesta al impulso del potencial de velocidad y los métodos de representación discreta se utilizaron para modelar el campo acústico irradiado por transductores y matrices ultrasónicos. El primer método se ocupa del cálculo de la respuesta exacta al impulso, en el que las soluciones solo son posibles para geometrías simples, como el pistón circular. El segundo método es una solución aproximada basada en la discretización de la apertura acústica en pequeñas áreas elementales, cada una de las cuales irradia una onda esférica. Mediante el uso de transductores circulares, que pueden considerarse pistones circulares, se llevaron a cabo muchas simulaciones comparando los métodos. Se analizó la relación entre el costo computacional y la precisión, estableciendo así los niveles de discretización temporal y espacial. Las simulaciones se realizaron utilizando el software Matlab y los resultados se compararon con mediciones experimentales que mostraban una buena concordancia. Los resultados experimentales se obtuvieron mediante un sistema de escaneo. Se midió el campo acústico irradiado por un transductor circular de 1 MHz, así como una matriz de 3,5 MHz de 16 elementos sumergidos en agua. El campo acústico irradiado por el arreglo fue simulado y medido con focalización en un radio de 30 mm con deflexiones de 0º y 20º.

The impulse response of the velocity potential and the discrete representation methods were used in order to model the acoustic field radiated by ultrasonic transducers and arrays. The first method deals with the calculation of the exact impulse response, in which solutions are possible only for simple geometries, such as the circular piston. The second method is an approximated solution based on the discretization of the acoustic aperture in small elementary areas, each of them radiating a spherical wave. By using circular transducers, which can be considered circular pistons, many simulations comparing the methods were carried out. The relation between the computational cost and the precision was analyzed, thus establishing the time and space discretization levels. The simulations were made using the Matlab software and the results were compared to experimental measurements showing good agreement. The experimental results were obtained using a scanning system. The acoustic field radiated from a 1 MHz circular transducer was measured as well as a 3.5 MHz array of 16 elements both immersed in water. The acoustic field radiated by the array was simulated and measured with focalization on a radius of 30 mm with deflections of 0º and 20º