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COMSOL相控型聚焦超声仿真，可相控 不同深度

在声学领域，相控型聚焦超声技术一直是研究的热点，它能通过控制超声换能器阵列的相位，实现超声能量在特定区域聚焦，在医疗、无损检测等众多领域有着广泛应用。而利用COMSOL软件进行相控型聚焦超声仿真，可帮助我们深入理解和优化这一技术，尤其是探索不同深度聚焦的特性。

相控聚焦超声原理简介

相控聚焦超声是基于惠更斯原理，通过对阵列中各个超声换能器发射信号的相位进行精确控制，使得声波在空间中叠加干涉，从而在预定位置形成高强度聚焦区域。例如，假设有一个由n个换能器组成的线性阵列，相邻换能器间距为d，对于位于阵列轴线距离为z处的聚焦点，每个换能器到聚焦点的距离$ri$不同，为了使声波在该点同相叠加，各换能器发射信号的相位$\varphii$需满足特定关系：

$\varphii = \frac{2\pi}{\lambda}(ri - r_0)$

其中$\lambda$是超声波长，$r_0$是参考距离（通常取阵列中心到聚焦点的距离）。

COMSOL建模步骤

几何建模

首先在COMSOL中创建超声换能器阵列的几何模型。以简单的线性阵列为例，我们可以使用“二维轴对称”模型进行初步研究。以下是创建几何模型的部分代码（COMSOL脚本语言）：

geom1 = model.geom('geom1'); geom1.create('domain','Rectangle',[0,0,10*lambda,lambda]); % 创建一个矩形代表单个换能器 geom1.create('union','Union',{'Rectangle1'}); % 将单个换能器合并 for i = 1:n-1 geom1.create('copy','Copy',{'Union1'}); geom1.set('copy1','offset',[i*d,0,0]); % 按间距d复制换能器形成阵列 geom1.create('union','Union',{'Union1','Copy1'}); end

在这段代码中，我们先创建了一个代表单个换能器的矩形，然后通过循环复制并按指定间距排列，最终合并成一个线性阵列。

材料属性设置

为模型设置合适的材料属性。通常超声传播介质可设为水，在COMSOL中，我们可这样设置：

mat1 = model.mat('mat1'); mat1.select('all'); mat1.set('rho',1000); % 水的密度 mat1.set('c',1500); % 水中声速

物理场设置

添加“压力声学，频域”物理场，这是用于模拟超声传播的物理场接口。设置边界条件，例如在模型边界设为“散射边界条件”，以模拟无限大空间中的声波传播：

acpr1 = model.physics('acpr1'); acpr1.boundary('scat','Scattering Boundary Condition'); acpr1.boundary('scat').selection.set('all');

相控设置

关键部分是相控设置，为每个换能器设置不同的相位。假设聚焦在距离阵列z处，根据前面提到的相位公式计算每个换能器的相位：

for i = 1:n r_i = sqrt(z^2+(i - (n+1)/2)^2*d^2); phi_i = 2*pi/lambda*(r_i - sqrt(z^2+((n+1)/2 - 1)^2*d^2)); acpr1.boundary('pres','Prescribed Pressure').selection.set(['Rectangle' num2str(i)]); acpr1.boundary('pres').set('p0',1*exp(1i*phi_i)); % 设置每个换能器的压力幅值和相位 end

这里根据聚焦点的距离计算出每个换能器的相位，并在模型中设置每个换能器的压力边界条件，使其具有相应相位。

不同深度聚焦的仿真与分析

通过上述设置，我们可以改变聚焦深度z的值，观察不同深度聚焦的效果。从仿真结果来看，当聚焦深度较小时，聚焦区域相对较窄，能量集中度较高，这是因为声波传播距离短，干涉效果较好控制。例如，当$z = 50\lambda$时，聚焦区域的半高宽较小，能实现较为精确的聚焦。

随着聚焦深度增加，如$z = 200\lambda$，聚焦区域会变宽，能量集中度有所下降。这是由于声波在传播过程中，相位控制的难度增大，波阵面的畸变不可避免，导致聚焦效果变差。同时，由于超声在传播过程中的衰减，聚焦点处的声压幅值也会降低。

在实际应用中，这种不同深度聚焦特性的理解至关重要。比如在医疗超声治疗中，对于不同深度的病灶，需要根据仿真结果优化相控参数，以确保足够的能量聚焦在目标区域，同时尽量减少对周围组织的损伤。

通过COMSOL进行相控型聚焦超声仿真，我们能够直观地研究不同深度聚焦的现象和规律，为相关技术的进一步发展和应用提供有力的支持。无论是在科研探索还是实际工程应用中，这种仿真手段都有着不可替代的价值。