圖3-1 聚焦換能器之幾何設計
圖 3-2 多陣元幾何聚焦換能器之陣元配置設計
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-3 聲場模擬結果
3-3-1 換能器數量與聚焦特性之探討
因實驗室經費受限，本研究預先模擬陣元數目在32、40 個的聚焦情 形。多陣元幾何聚焦換能器之陣元以同心圓的方式排列，如圖3-3 所示。
模擬參數設定如下：陣元選定實驗室目前既有的尺寸 28 mm、超音波 f-number 約為 0.85、曲率半徑為 22 cm 進行模擬，聲場模擬及聲場強度 結果如圖 3-4～3-7 所示。可以發現透過數個平面型換能器的幾何排列確 實可以達成聚焦的結果，從焦點的特性來看二者差異不大。接著對聲場 強度做正規化，結果如圖 3-8、3-9 所示。可以發現旁辦的強度都在主辦 的1/10 以下。因此我們認為陣元數目為 40 陣元與 32 陣元的聲場特性已 經十分接近，32 陣元已經足以滿足需求。
圖 3-3 多陣元幾何聚焦換能器之陣元排列
圖3-4 40 陣元聲場模擬結果
圖3-5 32 陣元聲場模擬結果
圖3-6 40 陣元聲場強度模擬結果
圖3-8 40 陣元正規化後聲場模擬結果
3-3-2 改變陣元尺寸模擬結果
首先探討陣元直徑與聚焦特性的關係，選取驅動頻率相同的換能器，
改變其陣元直徑大小，經由數值模擬求出聲場的分佈，如圖3-10～圖3-12。
本研究選定在國內較容易取得的四種尺寸分別為10 mm、14 mm、20 mm 以及28 mm的陣元，頻率皆為1.0 MHz，作為模擬變數。圖3-13～圖3-16 分別顯示不同陣元尺寸在陣元數目為12、24和32時的聲場分佈。模擬結 果由圖3-17將聚焦聲場進行正規化比較結果可知：
1. 當陣元尺寸較小，且陣元數目不足時，無法形成合理聚焦。
2. 隨陣元尺寸增加，形成聚焦所需的陣元數目降低。
3. 陣元數目愈多，柵瓣數目愈低。
圖3-10 由左至右分別為換能器直徑大小為 10 mm、14 mm、20 mm、
28 mm，陣元數目為 12 陣元的模擬結果
圖3-11 由左至右分別為換能器直徑大小為 10 mm、14 mm、20 mm、
28 mm，陣元數目為 24 陣元的模擬結果
圖3-12 由左至右分別為換能器直徑大小為 10 mm、14 mm、20 mm、
28 mm，陣元數目為 32 陣元的模擬結果
圖3-13 陣元尺寸 10 mm，陣元數目 32 個，正規化聲場強度分佈
圖3-14 陣元尺寸 14 mm，陣元數目 32 個，正規化聲場強度分佈
圖3-15 陣元尺寸 20 mm，陣元數目 32 個，正規化聲場強度分佈
圖3-16 陣元尺寸 28 mm，陣元數目 32 個，正規化聲場強度分佈
圖3-17 顯示不同陣元尺寸產生焦點聲強度的變化。在本模擬中設定
3-3-3 改變陣元驅動方式模擬結果
圖3-18～圖 3-20 顯示陣元尺寸 10、18 以及 28 mm 時的聲場分佈。
圖3-18 是驅動陣元 1~16(外圈)時的聲場；圖 3-19 是驅動陣元 17~32(內圈) 時的聲場。以陣元尺寸來看，主瓣以外的焦點的數目隨陣元尺寸增大而 減少。
陣元尺寸較大時，其前場的柵瓣效應也較不明顯。這是由於大型陣 元聲場的聲束較集中，當數個陣元同時啟動時，其重疊區域較小，因此 產生的聚焦聲場的柵瓣會小得多。以陣元啟動方式來看，如果只使用內 圈，相當於系統半徑縮小，其前場柵瓣現象較使用外圈的聲場較為嚴重。
如圖3-20 顯示將 32 陣元全部驅動，由於主瓣焦點處的建設性干涉加倍，
主瓣焦點更加集中，整體而言旁(柵)的振幅則顯示相對降低。
圖3-18 驅動陣元 1~16 的聚焦結果
圖3-19 驅動陣元 17~32 的聚焦結果
圖 3-20 驅動 32 陣元的聚焦結果