土屋 健伸, 清水 一磨, 深澤 昂太, 遠藤 信行

Takenobu TSUCHIYA, Kazuma SHIMIZU, Kota FUKASAWA, Nobuyuki ENDOH

神奈川大学工学部電気電子情報工学科

Department of Electric, Electronics, and Information Engineering, Faculty of Engineering, Kanagawa University

キーワード : phononic crystal, planar acoustic lens, silicone rubber, acoustic focusing field, frequency characteristics

目的：超音波診断装置のプローブ先端には，シリコーンラバーを主成分とする音響レンズが使用されている．本研究では，音響レンズに新しいデバイスであるフォノニック結晶構造を用いることを考えた．今回提案する音響レンズは，空気中での使用を考慮してシリコーンラバーとステンレス棒で構成されている．本研究ではフォノニック結晶構造の平面音響レンズの特性の把握を目的とする．対象と方法：平面音響レンズの基礎特性として，従来の間隙媒質を水とした平面音響レンズと，間隙媒質をシリコーンラバーとした平面音響レンズに関して，数値解析手法である2次元弾性時間領域差分法によって集束音場を求めた．さらにレンズの基本性能として焦点距離，ビーム幅等の集束特性と周波数特性を求め比較した．結果と考察：集束音場を解析した結果，シリコーンラバーとステンレス棒で構成され平面音響レンズは，周波数2.5 MHzから3.2 MHzで集束することが分かった．間隙媒質を水とした場合に比べて集束する周波数範囲が低周波側にシフトした．これはシリコーンラバーの音速が水よりも遅いため，結晶格子間の限界基本周波数が低くなったことが原因である．結論：空気中での使用を考慮したシリコーンラバーとステンレス棒で構成されたフォノニック結晶構造による平面音響レンズの特徴を明らかにした．今後は3次元音場の精密な解析を行う予定である．

Purpose: Acoustic lenses have generally been used in probes of ultrasonic diagnostic equipment and are primarily composed of silicone rubber. Manufacturers are now conducting material research on these lenses considering the use of in the air. This study considers the utilization of a phononic crystal structure as a new device for acoustic lenses used as probe, in order to improve the performance of ultrasonic probes for ultrasonic diagnostic equipment. Subjects and Methods: To determine the basic properties of a conventional planar acoustic lens that uses water as a filler and an acoustic lens that uses silicone rubber as a filler, we obtained the acoustic focusing field of the lenses using the two-dimensional elastic finite-difference time-domain method as the numerical analysis method. Furthermore, we obtained the focal distance, beam width, and frequency characteristics in order to clarify various properties of an acoustic lens. Results and Discussion: Analysis of the acoustic focusing field of the planar acoustic lens with silicone rubber clearly showed that the planar acoustic lens focused ultrasound when the radiation frequency of sound was varied from 2.5 MHz to 3.2 MHz. The frequency range of convergence shifted to the low frequency compared with that of the planar acoustic lens with water. The frequency shift results from the low limiting basic frequency between crystalline lattices that is caused by the slow sound velocity of silicone rubber compared with the sound velocity of water. Conclusion: We confirmed the expansion of frequency bands of the planar acoustic lens with a phononic crystal structure constructed with silicone and stainless steel rods considering the use of in the air. In future studies, we plan to analyze the precise sound distribution in three-dimensions using the three-dimensional elastic finite-difference time-domain method.