音響整合層に複合材料を用いた医用超音波探触子 : 有限要素法による解析と実験(医用超音波)  [in Japanese] Medical Ultrasonic Transducer using Composite Materials for Acoustic Matching Layers : Computer Simulations of Transducer Arrays  [in Japanese]

医用超音波診断装置用探触子の設計に際し,KLMモデルのような等価回路モデルにより音響整合層の最適化が計られている。このような1次元モデルでは,材料パラメータにポアソン比が設計値として関係しない。特に幅の狭い素子で構成されている配列型探触子においては,音響整合層材料の特性パラメータとしてポアソン比がその性能に大きく関係するものと考えられる。ここで,3次元モデルによる有限要素法によるシミュレーションによりその検討を行った。音響整合層材料のポアソン比を小さくすることにより,探触子の性能は大幅に改善されることが明らかになった。また,最適の音響インピダンスで且つ0.1以下のポアソン比となる音響整合層は,炭素繊維複合材のような異方性材料で実現できることを提案した。計算機シミュレーション結果において,音響整合層に複合材を用いることで探触子の諸特性が大幅に改善されることを明らにした。

Increasing the sensitivity of transducer arrays in a medical diagnostic system and decreasing mechanical-coupling between the adjacent elements are intrinsic problems. The use of quarter-wave matching layers as impedance transformation has been a standard practice for attaining high conversion efficiency of transducer arrays. The transducer arrays under consideration were conventional ones with two matching layers on piezoelectric elements. The simulations of the transducer arrays indicated that Poisson's ratio of the matching layers gives a great affect on the sensitivity and the mechanical-coupling between the adjacent elements. That is, the characteristics of the arrays are improved, as the Poisson's ratio is smaller. Carbon-epoxy unidirectional composite mixed with tungsten powder and high strength polyethylene fiber-polyurethane rubber allows the realization of the materials with a Poisson's ratio below 0.1, where the materials have an optimum acoustic impedance for the matching layers. From these facts we found that the improvement of the transducer arrays can be expected by adopting the composite materials to the matching layers. Satisfactory results have been obtained in computer simulations of the transducer array model based on the characteristic data of newly proposed composite materials.