超聲的案例
于超聲數(shù)據(jù)的3D打印技術在心臟領域的應用進展
5.基于超聲數(shù)據(jù)的3D打印技術在心臟領域的不足與展望
三維超聲發(fā)展的時間尚短，3D打印技術在心血管領域的應用也較少，基于超聲數(shù)據(jù)的3D打印技術在心血管領域應用空間巨大，有待開發(fā)，打印具有生物活性的組織或結構直接應用于人體是未來的發(fā)展方向。由于心臟結構和功能的復雜性，目前只能局限于打印一些簡單的結構。現(xiàn)階段基于超聲的3D打印技術仍存在以下局限性：①三維超聲的分辨率仍有待提高，以便顯示心臟更細微的結構；②心臟及其內部結構是動態(tài)的，而目前打印出的模型都是靜態(tài)的；③目前打印心臟的材料大部分為硬質材料，不能精確地反映心肌組織的柔軟度；④國內外缺乏大樣本臨床試驗證明其臨床可用性及安全性。
綜上所述，三維超聲可以為3D打印左心耳、心臟瓣膜及先天性心臟病提供數(shù)據(jù)源，基于超聲數(shù)據(jù)的3D打印模型不僅可以實現(xiàn)模擬治療，還可以輔助醫(yī)患溝通和醫(yī)學教育，其在心血管領域的進一步應用潛能尚有待開發(fā)。
來源：臨床超聲醫(yī)學雜志
展開 Light | 超高精度光致超聲無創(chuàng)神經刺激技術
同時，超高精度光致超聲可以以較低的成本擴展為陣列，適用于多位點神經刺激以調節(jié)復雜的腦功能。
光致超聲器件質量輕，相對于超聲陣列，更便于在神經疾病治療中給病人長時間穿戴。
光致超聲器件不會在核磁共振成像中產生電磁干擾，有利于在臨床中對神經刺激的效果進行閉環(huán)實時觀察和調整。
光致超聲在提升超聲組織摧毀術的時間空間精度有著顯著潛力。傳統(tǒng)超聲換能器在超聲組織摧毀術中需要加壓到上千伏，有很高的介電擊穿的風險。光致超聲通過高頻率提高了空間精度，單周期提高了時間精度，通過集合設計提供高壓強，避免了介電擊穿的風險。
光致超聲的獨特性質標志著其在超聲手術等臨床應用中提高時間空間精度、減少對周圍組織的熱積累等損傷的應用價值。
論文信息
Li, Y., Jiang, Y., Lan, L. et al. Optically-generated focused ultrasound for noninvasive brain stimulation with ultrahigh precision. Light Sci Appl 11, 321 (2022).
展開 仿真助力超聲聚焦的臨床應用研究
超聲聚焦廣泛應用于各類工業(yè)設備與技術中，例如我們熟悉的無損檢測（NDT）和醫(yī)學成像。高強度聚焦超聲（HIFU）是此技術的一項臨床應用，它利用探頭將大部分能量集中到目標組織區(qū)域，使組織發(fā)生凝固性壞死。本篇文章將重點對超聲聚焦的仿真過程進行探討。
設計無創(chuàng)超聲設備的換能器
超聲波擁有一大優(yōu)勢：無需貫穿發(fā)射信號與目標之間的傳播路徑，就能夠到達金屬、人體器官或生物組織內部。與外科醫(yī)生使用的醫(yī)療手術刀不同，超聲波不會在患者皮膚上留下任何疤痕，它能精準地對目標組織進行治療，周圍的健康組織受損傷的風險也很低。聚焦超聲波已用于或可用于治療前列腺癌和乳腺癌、高血壓，甚至是青光眼等疾病。
根據(jù)不同的換能器設計，超聲波有幾種聚焦方式。COMSOL Multiphysics? 軟件是模擬和優(yōu)化換能器的有力工具。設計一款能夠有效制造出可到達靶區(qū)的超聲場的換能器可能是一項棘手的任務。它依賴于發(fā)射信號的頻率和功率；超聲波傳播介質的衰減和吸收；當然還有換能器本身的位置和尺寸。
圖 1：超聲換能器產生的聲場示意圖。
換能器發(fā)射的信號有兩種聚焦方式：
修改換能器元件的曲率半徑，使其等于焦距（參考上方示意圖）
對平面陣列換能器施加電壓時引入相位延遲（參考下方示意圖）
圖 2：用于集中聲信號的超聲探頭示意圖，它帶有壓電換能器陣列（相控陣）。換能器由背襯材料、壓電元件以及測試樣品（此圖中為生物組織）的匹配層組成。
很多人選擇使用 COMSOL Multiphysics 對上述兩種方法進行研究。它不僅能模擬超聲傳播，還可以將超聲聚焦仿真與傳熱仿真，甚至是生物組織的損傷規(guī)律耦合在一起。利用這種方式，我們可以快速直觀地觀察聚焦效應是否能夠治愈適量的組織，并檢查凝固性壞死的位置和體積，且所有操作只在一個建模界面內完成。
展開 超聲聚焦的仿真研究
超聲聚焦廣泛應用于各類工業(yè)設備與技術中，例如我們熟悉的無損檢測（NDT）和醫(yī)學成像。高強度聚焦超聲（HIFU）是此技術的一項臨床應用，它利用探頭將大部分能量集中到目標組織區(qū)域，使組織發(fā)生凝固性壞死。本文將重點對超聲聚焦的仿真過程進行探討。
設計無創(chuàng)超聲設備的換能器
超聲波擁有一大優(yōu)勢：無需貫穿發(fā)射信號與目標之間的傳播路徑，就能夠到達金屬、人體器官或生物組織內部。與外科醫(yī)生使用的醫(yī)療手術刀不同，超聲波不會在患者皮膚上留下任何疤痕，它能精準地對目標組織進行治療，周圍的健康組織受損傷的風險也很低。聚焦超聲波已用于或可用于治療前列腺癌和乳腺癌、高血壓，甚至是青光眼等疾病。
根據(jù)不同的換能器設計，超聲波有幾種聚焦方式。COMSOL Multiphysics? 軟件是模擬和優(yōu)化換能器的有力工具。設計一款能夠有效制造出可到達靶區(qū)的超聲場的換能器可能是一項棘手的任務。它依賴于發(fā)射信號的頻率和功率；超聲波傳播介質的衰減和吸收；當然還有換能器本身的位置和尺寸。
圖 1：超聲換能器產生的聲場示意圖。
展開 
通過仿真分析高強度超聲聚焦技術在生物組織中的傳播
高強度超聲聚焦（High-intensity focused ultrasound，HIFU）是一種用于生物醫(yī)學領域的非侵入性技術，包括手術、癌癥治療和沖擊波碎石術。當施加高強度聚焦超聲時，超聲波在焦點上耗散實現(xiàn)組織凝結和消融。我們可以通過仿真進一步分析該技術的聲學特性和非線性性質。
用于醫(yī)療的超聲聚焦
超聲聚焦是一種在臨床應用中廣泛使用的技術，它聚焦身體的特定區(qū)域，并能防止損害周圍健康組織的風險。高強度聚焦超聲與超聲成像類似，但它是一種侵入性較小的技術。這種技術使用較低的頻率，減少了其他治療方法中常見的副作用。
高強度超聲聚焦使用帶有聚焦透鏡的超聲波換能器，其發(fā)射的信號可以在聚焦區(qū)內達到較高的強度水平。當信號達到高幅值時，非線性效應變得明顯并產生高次諧波。使用 COMSOL Multiphysics? 軟件和聲學模塊，我們可以對高強度聚焦超聲通過耗散介質的非線性傳播進行建模。
在焦點區(qū)域內模擬超聲波信號
本教程模型中使用的換能器外殼和鏡頭被假定為剛性的。半徑為（r）和孔徑為（a）的球面透鏡發(fā)出一個五個周期聲波脈沖，聚焦在位于組織中的焦點 F。信號的振幅為 0.1MPa，中心頻率為 1MHz，在傳播過程中只會涉及有限的部分域。當信號傳播時，振幅足以產生高階諧波，但不足以形成激波，這意味著不需要能夠捕獲激波的功能。
二維軸對稱幾何模型的圖解。
我們可以使用以下公式計算從信號到焦點的傳播時間：
其中，c 是聲速，d 是相應材料中的傳播距離。
使用 COMSOL Multiphysics 5.6 版提供的非線性壓力聲學，時域顯式 接口，我們可以模擬流體中的有限幅值高聲壓級非線性波。在本教程中，該接口使用間斷伽遼金有限元法(dG-FEM)，以雙曲守恒律的形式求解非線性聲學方程組。
展開 內旋轉超聲技術在換熱器管束檢測中的應用
同時通過加工定制與旋轉超聲探頭尺寸大小相匹配的管束清洗裝置，就能很好地解決由于清洗不到位而導致管束漏檢或無法檢測的情況，也能很好地防止由于有脫落的銹斑會擋住聲波的傳輸，使聲束直接傳輸在銹斑塊上形成虛假信號的情況發(fā)生。
今后只要能克服這兩大影響因素，內旋轉超聲檢測技術在換熱管束腐蝕檢測的應用中，一定能得到更大的推廣應用。
基于comsol的超聲紅外裂紋摩擦發(fā)熱仿真分析
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</div>
</div><p><strong>超聲紅外熱探測技術的無損探傷基本原理：</strong></p><p>1、<strong>發(fā)射超聲振動：</strong>超聲紅外熱像技術是超聲波發(fā)生器產生電信號，產生短脈沖( 50 ～ 200 ms) 、低頻率( 20 ～ 40 kHz) 的超聲波作用于物體表面，超聲波經過界面耦合在物體中傳播。</p><p><strong>2、驅動損傷區(qū)域摩擦發(fā)熱：</strong>遇到裂紋、分層等損傷時，在超聲波的激勵下介質損傷兩界面間發(fā)生接觸碰撞，質點間的摩擦作用使超聲波產生的機械能轉化為熱能，從而使損傷處及相鄰區(qū)域的溫度明顯升高，</p><p><strong>3、紅外成像，發(fā)現(xiàn)熱區(qū)：</strong>其對應表面溫度場的變化可用紅外熱像儀觀察和記錄。</p><p><br></p><p> 此次采用comsol的固體力學和固體傳熱模塊復現(xiàn) 超聲致裂紋摩擦發(fā)熱基本原理。</p><p> 其中兩個模塊耦合采用的是固體力學的接觸-摩擦以及相應的摩擦耗散熱進行。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202202/d8ea00fe191141a2b3c48429e6dc7a32.gif"></p><p><br></p>
展開 Comsol超聲空化仿真分析氣泡運動 ￥2200
超聲空化是一種重要的物理機理。超聲空化是指液體介質中的微小氣泡核在強超聲波的作用下,氣泡體積經歷生長振蕩而最終迅速崩潰的過程。在超聲空化氣泡的崩潰過程中,會在非常有限的體積內瞬間產生巨大的壓力梯度和溫度梯度,從而引發(fā)系列的化學、物理和生物等效應,如對金屬表面的腐蝕,光脈沖輻射的產生,化學反應速率的加快,生物組織結構的改變等。超聲空化過程是眾多空化氣泡的動力學過程,對單一空化氣泡的動態(tài)過程研究不僅是研究多個氣泡空化的起點,而且是研究系列超聲空化現(xiàn)象的基礎。
其主要的控制方程如下：
本模型調用系數(shù)型邊界偏微分方程和動網格，展示了氣泡在超聲空化過程中的變化：
兩個周期振蕩過程中，氣泡的半徑與初始半徑比值的動態(tài)變化。
這是氣泡動能的變化 ，相比較，隨著振動周期，氣泡動能也在增加。
有興趣的可以加我，交流模型。
展開 ：超聲激活聚四氟乙烯壓電催化活性
研究顯示，對PTFE駐極體進行連續(xù)超聲輻照可產生ROS，并且其產生速率顯著高于已見報道的壓電催化劑。該項研究顛覆了人們對惰性PTFE的認知，也開辟了惰性PTFE在環(huán)境污染治理、殺菌消毒領域的新應用。
PTFE的活化過程及機制：PTFE化學性質極其穩(wěn)定，被廣泛應用于嚴苛條件下的工業(yè)裝備、實驗設備、醫(yī)療器械及家用廚房用品等。同時PTFE作為一種典型的非極性聚合物駐極體材料，能夠長期存儲電荷并具有巨大的壓電系數(shù)。研究人員在一次實驗中偶然發(fā)現(xiàn)，PTFE在超聲作用下具有良好的壓電催化性能。因此，研究人員對PTFE顆粒以及薄膜進行超聲輻照，再利用壓電力顯微鏡（PFM）來檢測被活化的PTFE的壓電性能。PFM表征顯示，被超聲輻照的PTFE可誘導產生強大的局部壓電性能。這是因為在超聲激活PTFE過程中，超聲波能夠促使汽泡的形成和崩塌，而瞬間崩塌的超聲空化氣泡又能產生極端高壓（約100 Mpa）和電場（約100 kV/m）。這些瞬態(tài)、高頻的超高超聲壓力可以使PTFE產生永久的結構缺陷（結構電荷）；另一方面，并發(fā)產生的電場能夠極化PTFE的缺陷進而產生極化電荷并被俘獲在PTFE結構缺陷里，最終形成壓電駐極體（圖2）。
圖2 超聲活化PTFE示意圖
進一步，本研究通過施加外力并測量開路電壓來揭示 PTFE 駐極體的壓電特性（圖 3a、b）。隨著外加壓力從 0.156 增加到 0.624 N/cm2，開路電壓從 0.5 V增加到 1.8 V。此外，活化的PTFE膜在超聲波的作用下能產生可重現(xiàn)的壓電電壓（圖 3c）。
展開 超聲速螺位錯..
日前，中科院力學所、上海交大和浙江大學的團隊在晶體材料中的基本缺陷 – 螺位錯在變形過程中的超聲速現(xiàn)象研究方面獲得重要進展。他們發(fā)現(xiàn)面心立方晶體材料中的螺位錯不僅能超聲速，并能穩(wěn)定地以聲速運動。相關結果以"Supersonic Screw Dislocation Gliding at the Shear Wave Speed"為題發(fā)表在物理評論快報上（Physical Review Letters 122,045501 (2019)）。
金屬晶體的強度跟韌性很大程度上取決于位錯的運動性質，特別是螺位錯在材料的強度和變形能力中扮演重要角色。然而位錯的速度極限和確切的速度–應力關系尚不明確。傳統(tǒng)理論認為位錯超聲速運動所需能量具有奇異性，盡管后續(xù)的理論和模擬研究都表明位錯可以超聲速運動，但這些研究集中于刃位錯。該團隊利用分子尺度計算和理論分析，發(fā)現(xiàn)銅晶體中的螺型全位錯和螺型孿晶界不全位錯都能穩(wěn)定地以聲速滑移，并都能超聲速運動(超過三個各向異性剪切波速，如下圖中的三個馬赫錐所示)。由于螺位錯運動過程存在結構不穩(wěn)定性，超聲速螺位錯還是首次被模擬發(fā)現(xiàn)。同時，他們的工作表明，位錯的運動還與非施密特應力(不貢獻分解剪應力RSS)有關，與傳統(tǒng)施密特原理相悖。這項研究推翻了傳統(tǒng)連續(xù)介質力學中對超聲速位錯的認知，確認了超聲速螺位錯的存在。該研究結果為晶體材料的動態(tài)力學行為，以及孿晶界面的位錯運動提供更深入的理解。
各向異性晶體銅中超聲速螺位錯所產生的主要剪應力場（左側）以及其在超聲速運動時，突破三個剪切波過程中產生的馬赫錐
力學所彭神佑博士為論文第一作者，魏宇杰研究員為通訊作者，論文作者還包括上海交大金朝暉教授，浙江大學楊衛(wèi)院士。
展開 基于comsol的激光激發(fā)超聲裂紋探測模型 ￥2400
該技術接合了超聲檢測的高精度和光學檢測非接觸的優(yōu)點,具有高靈敏度(亞納米級),高檢測帶寬(GHz)的優(yōu)點。 激光超聲檢測技術在上世紀九十年代晚期出現(xiàn)成熟的商用系統(tǒng)并最早在無縫鋼管產業(yè)開始應用。目前該技術的工業(yè)應用已經擴展到激光焊接焊縫質量在線監(jiān)控，風力發(fā)電機葉片檢測，飛機機身搭接腐蝕檢測，高溫陶瓷，金屬，復合材料檢測，電子元器件/半導體封裝質量檢測，各種材料涂層缺陷檢測等眾多領域，針對其他應用的商用系統(tǒng)也不斷發(fā)展并走向市場。目前激光超聲檢測技術仍不盡成熟，針對單晶硅片等硬脆材料的檢測技術仍有待研究。<br></p><h2>工作原理</h2><p><a></a>當激光的能量聚焦照射到彈性材料表面時，部分會轉移到材料本身并以熱能和應力波動能的形式表現(xiàn)出來。通過改變激發(fā)激光的幾何形狀可以控制能量在材料中的分布以及對材料的影響。激光超聲就是利用高能激光脈沖與物質表面的瞬時熱作用，通過熱彈效應（少數(shù)情況是熱蝕效應）在固體表面產生應變和應力場，使粒子產生波動，進而在物體內部產生超聲波。根據(jù)入射到物體表面激光能量的不同，激光脈沖在物體表面產生的這種熱效應可分為熱彈效應和熱蝕效應兩種。在較低的吸收率下，表面吸收的熱量不超過其融化溫度，產生的是短時膨脹過程，與該膨脹相關的應力波絕大部分在彈性范圍內，該方式稱為<strong>熱彈效應</strong>。在高能作用下，物體的溫度升高，超過了其蒸發(fā)溫度，產生燒蝕現(xiàn)象，使材料表面氣化，形成等離子體，于是有一垂直表面的反作用力作用在表面，形成彈性波源，該方式稱為<strong>熱蝕效應</strong>。在熱彈性區(qū)，激光產生的應力波大小與吸收光的能量呈正比，對于均勻能量分布，可用一維模型描述激光束在材料表面產生的應力，其在材料表面產生的應力-應變與材料表面吸收的激光能量呈正比。
展開 
模型分享014——高速水射流對超聲車削溫度場的影響 ￥99
鈦合金車削過程中加工區(qū)域溫度升高，會出現(xiàn)金剛石車刀磨損加劇影響加工表面質量的問題，使用冷卻液噴射的方式可以改善車削環(huán)境，提高鈦合金加工表面質量和金剛石刀具耐用度，基于ABAQUS仿真軟件建立Ti-6Al-4V鈦合金的水射流冷卻切削模型，研究超聲振動條件下應力和溫度變化規(guī)律。
1. 應力場仿真結果
（1）開啟冷卻系統(tǒng)階段
（2）超聲振動切削階段
2. 溫度場仿真結果
（1）開啟冷卻系統(tǒng)階段
（2）超聲振動切削階段
3. 應力場仿真動畫
4.溫度場仿真動畫
通過添加微信或者QQ可獲得答疑
附件內容：CAE文件和INP文件
WeChat：1489785835
仿真軟件：ABAQUS 2022
仿真要點：超聲振動切削、熱力耦合仿真、水射流冷卻、溫度場輸出
展開 超聲輔助激光熔覆數(shù)值仿真
超聲輔助激光熔覆利用高能超聲波在熔體中產生的非線性效應，如超聲空化和聲流效應等，來改善熔池內增強體與熔體的潤濕性，促使增強體在熔體中均勻分布。同時，聲流攪拌作用將空化效應產生的晶核擴散至整個熔池中，有效提高了形核率，均化了溫度梯度和成分分布，降低了偏析程度。這種結合了激光熔覆和超聲振動的技術，可以提高熔覆層的質量和性能。
本案例展示了超聲輔助下激光熔覆的動態(tài)過程，仿真結果如圖所示：
該仿真模型考慮了溫度場+流場+超聲場+動網格技術，感興趣的朋友，歡迎交流合作！
山東大學武傳松教授：超聲振動強化攪拌摩擦搭接焊（UVeFSLW）工藝及接頭質量的研究
mm/min）
（a）冷搭接缺陷
（b）鉤狀缺陷
【小結】
超聲振動強化攪拌摩擦搭接焊接頭強度更高，顯微硬度更高，塑性更好。
Wabtec原奧林巴斯超聲相控陣無損檢測解決方案
行業(yè)展望：數(shù)字化智能驅動的未來
Wabtec對奧林巴斯檢測技術部門的收購，標志著無損檢測技術正加速融入更廣泛的數(shù)字智能生態(tài)，這一戰(zhàn)略整合不僅延續(xù)了奧林巴斯在超聲相控陣領域50年的創(chuàng)新傳統(tǒng)，更通過Wabtec在鐵路、采礦和工業(yè)領域的深厚積累，將檢測技術的應用邊界推向了新的高度。
從航空航天發(fā)動機焊縫的毫厘之爭，到石油化工管道的腐蝕監(jiān)測，再到軌道交通關鍵部件的疲勞評估，超聲相控陣技術正以卓越的分辨率、靈活的聲束控制和智能化的數(shù)據(jù)處理能力，重新定義工業(yè)安全標準，在以后隨著AI輔助判讀與相控陣技術的深度融合，無損檢測將不再僅僅是發(fā)現(xiàn)缺陷的工具，更將成為預測設備壽命、優(yōu)化維護策略的決策大腦。
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