杜功焕教授去世

我国著名物理声学家、非线性声学家、声教育学家、南京大学物理学院教授杜功焕同志于2023年12月10日因病医治无效,在南京逝世,享年90岁。杜功焕教授1934年2月出生于浙江宁波。1957年毕业于南京大学物理系并留校工作。1984年加入中国民主同盟。在南京大学物理系、电子科学与工程系长期从事声学专业的教学和科研工作。曾任中国声学学会理事、全国声学标准化技术委员会委员。

“奇妙的声音”课程建设中的思政实践

本文以“奇妙的声音”新生研讨课为例,探讨将课程思政融入教材编写和课堂讲授的过程,激发学生对声学应用的兴趣和对学习现代声学、助力科技强国的紧迫感.课程融入中国古代在声学应用中表现出的智慧,引导使学生对中国传统文化和科学研究有深刻的认识,激发学生肩负的民族传承的骄傲感.课程强调现代声学在科技发展中的作用,培养学生的责任感,实现以课程思政为纽带,真正做到课程育人.通过课程的设计与实施,深入探讨了学术和思政的融合,厚植学生的创新精神和爱国情怀,为学科教学提供参考,推动学生全面发展.

频域分割的复合超声热应变成像

在超声热应变成像(TSI)中,二维TSI图像中加热区域即感兴趣区域(ROI)的后方(远离声源方向)由于热声棱镜效应、互相关函数峰值误判等可能出现较强的噪声,影响对热区的识别。为对TSI图像降噪并优化ROI的选取,提出一种频域分割的复合超声热应变成像方法。首先,对加热过程中超声成像得到的射频数据进行频段划分,将划分后每个频段的数据视作一次独立成像的结果。其次,利用不同频段数据分别进行TSI计算,所得ROI的形态及其中的热应变分布有很好的一致性,而噪声分布差异较大。基于此对ROI与噪声区域进行区分,通过多频段TSI的复合实现降噪。最后,对降噪后的TSI图像,借助径向梯度指标实现ROI的识别。基于数值仿真和离体猪脂肪加热实验,对所建立的方法进行了验证,仿真中ROI热应变成像的对比度提升了1.7 dB,实验中提升了13.6 dB。

秀丽隐杆线虫对声表面波刺激的行为响应

利用频率为8.8 MHz的声表面波,刺激位于压电基底上琼脂表面秀丽隐杆线虫,研究其对超声作用的行为响应。具体地,分析了超声刺激后线虫的转向和后退行为与声表面波辐照时长、基底振动幅度及脉冲重复频率的关系,发现线虫对高频声表面波脉冲刺激的响应与此前低频体波刺激所得规律一致,即类似于可感知脉冲重复频率的带通滤波器。通过比较温度感知缺陷突变体线虫与野生型线虫的行为,明确了机械振动在诱发线虫响应中占据主导地位,而超声热效应并非主要因素。在此基础上,尝试通过信号时-空分布的调节改变声场形态,研究线虫在声场中的趋避性,进而实现对线虫转向行为的初步干预。

声波在锥棒中非经典非线性传播及实验验证

弹性体材料在早期退化阶段会出现一些长度不同,且分布不均匀的介观尺度微裂纹,声波在这些裂纹聚集区(或裂纹群)传播会激发较强的非经典非线性。文中以缓变截面的锥棒为研究对象,在Preisach-Mayergoyz(PM)空间模型下研究了声波通过微裂纹聚集区激发的非经典非线性谐波传播特性,实验验证了三次谐波位移幅度与缺陷位置、宽度的反演关系。理论计算和实验结果表明:微裂纹群激发了较强的奇次谐波,引起非经典非线性传播;其谐波幅度与微裂纹聚集区域位置、宽度及非经典非线性参数紧密相关,利用三次或五次谐波位移幅度能够准确定位缺陷的区域。

固体粘接界面的非线性共振特性研究

研究考虑粘接界面非线性的条件下,双层固体粘接薄板的振动特性。将双层板间的振动耦合看作一组非线性弹簧,理论上运用分离变量等数学方法,求解得到粘接层的应力应变关系为线性条件下的解析解,以及考虑非线性参量时系统共振的数值解。通过对双层铝板的环氧树脂粘接模型进行仿真研究分析,发现界面的共振频率随着界面粘接强度非线性参量的增加呈现先增大后减小的趋势,当界面强度弹性参量为300GN/m3时,共振频率的最大偏移量达到10%。在粘接强度退化早期,利用界面的非线性共振特性可以更好地检测粘接质量。

基于时间反转的骨裂纹超声成像模拟研究

提出了一种结合超声非线性和时间反转技术进行长骨中裂纹成像的技术。骨裂纹的超声散射信号中包含非经典非线性成分。从时反阵列接收的探测信号中,经滤波得到三次谐波;然后利用时间反转技术来对裂纹区域进行聚焦成像。在计算机仿真实验中,基于Preisach-Mayergoyz(PM)模型模拟了单个及两个骨裂纹产生的非线性信号,实现了时间反转的非线性成像,并讨论了裂纹的深度位置对成像结果的影响。该方法为骨裂纹的超声无损检测提供了一种新技术。

B模式实时成像定量监控超声空化时空行为的研究

提出一种采用B超图像实现高强聚焦超声(HIFU)治疗时声空化的时空量化监控的方法。首先,采用B模式实时成像系统对不同声辐照能量下的HIFU在凝胶仿体中引发的超声空化进行实验监测;接着,利用二维数字图像处理算法消除高强聚焦超声(HIFU)在B超图像中产生的干涉条纹,并在此基础上,对B超成像中观察到的高亮区域的面积变化情况进行量化分析;最后,进一步讨论了驱动声压或脉冲宽度对超声空化产生的高亮区域的生成速度和面积大小的影响。结果显示该方法可以有效去除B超图像中的干涉条纹,并对HIFU引发的空化现象进行实时监测。实验结果还表明辐照声能量的提高将引发更强烈的声空化行为,并且显著缩短HIFU引发的空化泡群的初始生成时间。研究结果对进一步优化HIFU治疗有重要意义。

不同录音系统对声纹检测的影响

声纹识别已在身份识别中得以应用.本文采用三种常用数字录音系统(语音笔、话筒及手机)录制样本,并对这些样本进行基音分析,线性预测系数法提取共振峰以及美尔倒谱系数.结果表明,录音设备自身性能的差异对声纹参数存在影响,尤其是存在共振峰的丢失现象,提取的美尔倒谱系数包络存在一定差异.

包膜黏弹特性及声驱动参数对相互作用微泡动力学行为的影响

关于多气泡相互作用的理论研究对于深入理解超声造影剂在医疗领域中的应用机理具有重要意义。本工作建立了一个2维轴对称有限元模型来研究流体环境中超声造影剂双气泡相互作用,讨论了驱动超声频率和气泡尺寸对气泡之间吸引和排斥趋势的影响,得到了气泡半径与气泡之间距离随时间变化的曲线,以及气泡周围流体速度场的细节,并且研究了气泡包膜参数(即表面张力系数和粘度系数)对气泡相互作用的影响.结果表明,相互作用中的气泡对整体的相对运动趋势由驱动频率和共振频率之间的关系决定;在超声参数固定时,气泡包膜的粘弹特性可用来调控气泡间相互作用强度。结果对实验中观察到的气泡聚集现象进行了合理解释,并为超声造影剂在医疗实践中的应用提供了基础理论支撑.

声二极管中声传播模型研究

提出一种数值计算模型以描述声子晶体和包膜气泡群构成的声二极管中声传播。声子晶体中的声传播基于有限差分的方法数值求解,而微气泡中的非线性声传播采用非线性声波方程耦合微气泡振动方程求解。数值模拟的结果与已报道的实验结果相符合,证明了数值模型的有效性。在此基础上进一步讨论了包膜气泡参数改变对声二极管整流比的影响。

高斯叠代法研究相控阵非线性声场

相控阵在聚焦超声治疗应用中不可避免地受到非线性影响,提出了采用高斯叠代法计算相控阵的非线性声场。在该方法中,利用预设焦点参数并应用伪逆矩阵算法得到阵元的激励参数;然后将阵元近似拟合成一组高斯声束的叠加,通过高斯声束叠代计算非线性声场。数值计算中以64阵元一维相控阵为研究对象;线性条件下,高斯叠代法结果与菲涅耳积分结果的误差低于0.5%,验证了该方法的可行性;单焦点及双焦点模式的相控阵非线性声场结果表明非线性效应能提高焦点聚焦性能,并且非线性效应与激励声压及激励频率成正比。

骨运动疲劳的超声检测研究

疲劳性骨折是一种常见的骨损伤,在运动员基础训练期间可达30%甚至更高,影响运动员的运动水平和运动寿命。提出一种对运动员骨疲劳水平进行实时检测和评价的新技术。利用超声Lamb波无损检测方法,依据骨杨氏模量与Lamb波色散曲线的关系,确定衡量骨疲劳水平的指标。所提出的最优化算法在保持测量精度的同时,还能削弱随机分布的测量误差时结果的影响,对提高运动员的运动水平和保护运动员安全具有实际应用价值。

低强度脉冲超声激发的声微流增强藻酸钙凝胶支架材料的孔隙率和通透性研究

低强度脉冲超声(LIPUS)激发的声微流场所产生的剪切应力可作用于细胞膜表面,从而显著增强细胞膜的通透性。构建了三维藻酸钙凝胶支架培养系统,来模拟有利于细胞生长的营养供给和新陈代谢体内微环境;基于扫描电子显微镜、体内荧光图像和激光共聚焦图像观测技术,对LIPUS增强三维藻酸钙凝胶支架材料的孔隙率和通透性的作用机制和参数相关性进行了系统的研究。结果表明,三维藻酸钙凝胶支架材料的孔隙率和通透性可随着LIPUS的驱动声压的升高而显著增强。此外,通过对三维支架材料内的细胞增殖情况分析,发现在适当的LIPUS驱动声压(如P-=0.055 MPa)下,HeLa细胞在LIPUS作用下的三维藻酸钙凝胶支架材料中可获得更高的增殖率。

讲话人识别系统的鼻腔参数研究

基于鼻腔发声的极零数学模型,结合线性预测、线性预测失真尺度等知识,利用同态预测法从语音中提取出个人的鼻腔参数。用此鼻腔参数尝试区分不同讲话者,并与共振峰,美尔频率倒谱系数的区分效果作比较。实验结果表明:鼻音参数相对于这些简单的时频参数(共振峰,美尔频率倒谱系数等)对于区分不同讲话者更有效,在声纹检测中有潜在的应用价值。

水中密排圆柱体群的超声多重散射参数

以水中紧密排列的平行圆柱体群为对象,研究平面超声脉冲经多重散射后的透射波性质,通过分析其中头波和散射波的特征获得对应的多重散射参数.对直径随机分布、位置无序排列、数量密度约100个/cm^(2)、面积占空比约0.53的非接触圆柱体群,采用中心频率2.5 MHz的宽带脉冲波入射。为解决透射信号在时域表现出随机性的问题,将散射体尺寸、分布都相同但位置分布不同的多个模型仿真的透射波叠加平均后用于分析.在频域对头波的宽带衰减系数进行分析,并在时域研究散射波声强的时间演化曲线,获得了系统的弹性平均自由程、传输平均自由程等多重散射参数。经多重散射后,透射波中的头波表现出相干性,由不相干近似理论可对其对应的散射参数进行定性描述;散射波是不相干的,其对应的多重散射参数可近似利用扩散近似理论获得。

随机相控高强度聚焦超声换能器的栅瓣抑制

采用3种随机排列策略形成相控阵元线性排列结构抑制高强度聚焦超声(HIFU)相控阵栅瓣.第1种和第2种策略中阵元基于规则排列随机移动,而第3种策略中阵元则直接进行随机移动,阵元可移动范围依次为:第1种<第2种<第3种。采用瑞利积分和非线性Westervelt方程分别计算了3种策略对应随机相控阵产生的线性和非线性声场,并通过归一化栅瓣最大声压、归一化栅瓣平均声强和归一化旁瓣平均声强3个参量,对栅瓣抑制效果进行评价.结果表明:线性声场中,阵元可移动范围的增加有利于栅瓣抑制,3种随机策略的归一化栅瓣最大声压相比规则排列分别降低30.7%,53.8%和55.8%;非线性声场中对于同一种随机排列策略,随机度的增加可以改善栅瓣抑制效果。例如,第3种随机策略在随机度为0.9时正负压的归一化栅瓣最大声压相比规则排列分别降低55.6%和54.8%.进一步讨论了焦点偏移时随机相控阵的非线性声场,以-8 dB作为栅瓣的安全标准,第2种和第3种随机策略可以满足要求,横向偏移分别为6 mm和10 mm。本文的工作为抑制栅瓣提供了新思路,有利于随机HIFU相控阵的设计优化。

超声作用下双模态造影剂微泡的声空化和热效应

为将多模态造影剂微泡更好地应用于精准诊疗领域,研究了磁性双模态造影剂微泡的动态特性。将亲水性超顺磁四氧化三铁磁性纳米颗粒(SPIO)挂载到超声造影剂白蛋白包膜上,构建出超声/核磁共振(US/MRI)双模态造影剂微泡。基于被动空化探测实验和热电偶数据采集实验,系统性地研究了SPIO浓度对双模态造影剂微泡声空化效应和热效应的影响。结果显示:当SPIO浓度保持恒定时,SPIO-albumin微泡的瞬态空化(IC)阈值随着驱动超声脉冲宽度的增加或驱动超声频率更接近微泡共振频率而降低;双模态造影剂微泡产生的瞬态空化剂量(ICD)将随着SPIO颗粒浓度的增加而增大;当驱动声压相同时,与PBS和SPIO溶液相比,包膜材料中含有多SPIO纳米颗粒的SPIO-albumin微泡具有更快的升温速率和更高的峰值温度,这将有利于实现更好的超声热疗效果。

复方利多卡因乳膏作为超声耦合剂的声学物理学与临床应用

目的:探讨复方利多卡因乳膏作为超声耦合剂的可能性。方法:(1)以临床常用超声耦合剂Aquasonic 100为对照物,采用声学物理测定法对复方利多卡因乳膏的声速、声阻抗和声衰减数值等进行测定。(2)60例行单纯右颈内静脉穿刺置管术肿瘤患者,采用随机数字表法分为Aquasonic 100耦合剂组(A组)和Aquasonic 100耦合剂+复方利多卡因乳膏复合组(AL组),每组30例,进行超声引导下的中心静脉穿刺置管术,保存穿刺时超声图像,进行清晰度评分;记录从穿刺开始到穿刺成功置管的时间;观察术后穿刺部位疼痛评分、红肿、血胸及气胸等并发症发生情况。结果:复方利多卡因乳膏与Aquasonic 100耦合剂相比较,两者声学参数相近。AL组超声图像清晰度较A组明显高(P<0.05),穿刺时间明显短(P<0.05)。术后一天VAS疼痛评分较低(P<0.01),两组穿刺部位红肿发生率低,均无气胸、血胸等穿刺并发症发生。结论:复方利多卡因乳膏似可作为一种超声耦合剂应用于浅表部位超声,具有可行性和临床操作优势。

用于活体温度评估的非线性超声热应变模型

热疗在肿瘤消融、高血压治疗等方面有重要应用价值。对热疗过程进行温度监控有利于实施合理的治疗规划,同时可提高治疗的安全性、减少副作用。利用基于超声回波偏移的热应变测温理论进行二维温度估计是一种常用的超声测温方法。但该理论基于组织热膨胀及声速随温度线性变化的假设,适用的温度测量范围一般限于37℃-50℃。该文基于升温组织的物理参量非线性变化,提出了基于非线性超声热应变评估温度变化的模型。在基于活体猪肾周脂肪的微波加热实验中,该文利用上述模型结合动态帧选取算法和自适应滤波,对活体的呼吸、心跳运动进行抑制,减小二维温度图像中的噪声。所得结果表明运动补偿效果良好,对于温升范围不超过30℃的情况,测温误差在2.5℃以内。