Circular ultrasonic transducer characterization: theoretical and experimental results

L. Medina^a, E. Moreno^b, G. González^c, and L. Leija^c

^a Departamento de Ingeniería de Sistemas Computacionales y Automatización, Instituto de Investigaciones en Matemáticas Aplicadas y Sistemas. UNAM, Circuito Escolar, Ciudad Universitaria, C.P. 04510, México D. F., México.

^b Instituto de Cibernética, Matemática y Física (ICIMAF), La Habana Cuba.

^c Sección de Bioelectrónica, Departamento de Ingeniería Eléctrica, CINVESTAV, Av. Instituto Politécnico Nacional 2508, C.P. 07360 México D.F.

Abstract

Acoustic pressure fields generated by pulsed ultrasonic transducers under different boundary conditions are analyzed. Numerical simulations of the near-field pressure were evaluated considering rigid and soft baffles as boundary conditions. These field simulations were perfomed using the temporal convolution between the numerical derivative of the impulse response and the longitudinal wave velocity for both cases. Experimental pressure data were obtained by measuring the peak, peak to peak and root mean squared voltages. Simulated and experimental results were compared to investigate the temporal behavior of the acoustic signal as well as their spatial distribution on planes parallel to the transducer face. Special attention is given to the Fresnel region where the diffraction effect affects the pressure field measurements. Experimental readings were done using circular transducers with the same geometric characteristics and with resonant frequencies of 3.5 MHz and 5 MHz.

Keywords: Impulse response method; acoustic pressure distribution; ultrasonic transducer characterization.

Resumen

En el presente trabajo se analiza la influencia de las condiciones de frontera en la distribución de presiones acústicas debido a la excitación impulsional de transductores ultrasónicos. Las simulaciones numéricas de la distribución de presiones en el campo cercano han sido desarrolladas considerando a los bafles rígido y suave como condiciones de frontera. Estos campos simulados han sido desarrollados en función de la convolución temporal entre la velocidad longitudinal de la cara del transductor y la derivada de la respuesta al impulso para ambas condiciones de frontera. Datos experimentales fueron obtenidos adquiriendo la serial eléctrica punto a punto y así obteniendo los voltajes pico, pico-pico y cuadrático medio. Los resultados experimentales y simulados son comparados para investigar el comportamiento temporal de las señales acústicas, así como sus distribuciones espaciales en planos paralelos a la superficie de los transductores. El experimento se enfocó en la región Fresnel donde el efecto de difracción, debido a los bordes de los transductores, afecta a la distribución de la presión acústica. Las lecturas experimentales fueron realizadas considerando transductores ultrasónicos circulares con las mismas características geométricas y frecuencias de resonancia de 3.5 MHz y 5 MHz.

Palabras clave: Respuesta al impulso; campo de radiación acústica; caracterización de transductores.

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Acknowledgements

The authors would like to thank to the National Council of Science and Technology (CONACYT-31959A), the México-Cuba program, the Ibero-American Ultrasonic Techonology Network (MAGIAS-RITUL UNESCO: 3304-3307) and the National University of México (PAPIIT-IN105900). We also want to thank Mr Eliseo Díaz Nacar, Mr Nelson Castillo Collazo and Mr Francisco Cárdenas Flores for their technical assistance.

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