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2024年3月14日发(作者：c语音教程百度云)
超声换能器及超声波传播仿真软件
--
PZFlex
PZFlex是专为压电和超声应用而开发的全球领先
®
PZFlex软件简介
的波传播软件包。经过二十年的开发，我们完善了
PZFlex的功能，使得我们能够为换能器、超声成像和
无损检测的设计开发提供完整的解决方案。PZFlex与
声纳、医学成像和无损检测研究结构紧密合作，并获
得大量的数据验证，它可以帮助你快速而经济地克服研发中遇到的技术难题。
PZFlex的开发源至于美国政府的大规模超声、次声波仿真项目
(Flex Code)，是为了应对全面禁止核试验条约的限制而开发的核爆
计算机模拟代码。PZFlex采用了大量的先进理论、算法和并行技术，
可用于求解数千万单元的模型。
在过去的10年里，医疗诊断超声波设备的辅助开发一直是
PZFlex的重点，在1999年，SPFlex模块的开发成功更加促进了超声治疗行业的发展，PZFlex
实现了对穿透不同介质，例如：空气、水、弹性材料、非线性生物
组织、复合材料和各向异性材料的超声波的精确建模。现在的PZFlex
展现给您的是更加全面、强大的功能，它也正被快速地拓展到更广
泛的行业应用中，从换能器声头设计到各种超声应用。
PZFlex采用基于有限元的时域显式积分方法，同时具备显式‐隐
式求解器。PZFlex采用了最新的并行计算技术。 PZFlex计算模型可
以是2‐D平面应变，2‐D轴对称（柱坐标系下），或者3‐D。PZFlex的
材料模型可以是个各向同性弹性材料、各向异性弹性材料、压电材
料、非线性材料、粘弹性材料、瑞利阻尼及牛顿粘度模型。在材料
模型中纵向体积弹性模量和横向剪切阻尼也可以指定。通常情况下，PZFlex在普通PC机上计
算2‐D模型（10000单元），用时不到一分钟时间，计算3‐D（数百万单元）也仅需几个小时。
PZFlex采用了all‐in‐memory算法，计算模型规模的限制仅仅取决于计算机内存的大小。
PZFlex的输出包括时间历程或场变量快照，例如电压、电荷、位移、速度、压强、应力、
PZFlex在计算的同时同步存储计算数据，以
便后续的后处理调用。不同场的输出数据结构都是非常简单的，因此用户可以非常容易地进行
‐ 1 ‐
现场数据处理
PZFlex计算效率很高，与其他的有限元软件相比，用户可在普通PC机上实现超大规模模
型的计算。
PZFlex拥有广泛的单元类型，拥有分析压电材料、电致伸缩、磁
致伸缩材料、以及超声应用中的流体、弹性体、各向同性/各向异性
材料、复合材料以及非线性生物组织的能力。PZFlex附加模块还支持
非线性静电分析。通过与全球的主要生物医学、工业领域和海军的多
年紧密合作，建立了起了完善的分析包和专业的数据后处理工具。PZFlex可以在绝大多数的硬
件平台上运行，包括普通PC机、工作站和计算集群设备。PZFlex为设计师和工程研发、检测
工程师提供了功能强大的工具，帮助他们快速而高效地分析、优化现有的设计和应用方案。
最新版的PZFlex提升了核心求解模块的并行计算能力，包括：声辐射力, 热冲击、介电损
耗、体积计算，简化的模型弯曲和几何分配、多重驱动功能，和其他
用户所需的模型。并且所有PZFlex版本均提供了与三维设计软件
SolidWorks的无缝界面, PZFlex用户可以直接读取SolidWorks的设计文
件。
注：SolidWorks是全球最流行的三维CAD/CAM软件包之一。
PZFlex在超声领域拥有广泛的应用，比如超声换能器设计、模态
振型、谐响应、声/电阻抗匹配和各种参数优化，以及超声波传播模拟、
无损检测缺陷评估、测量结果量化与校准、超声诊断和成像模拟、超
声治疗模拟、大型结构噪音和振动控制模拟、石油测井模拟、地震波
模拟、声纳模拟等。现在，PZFlex已经被美国、日本、欧洲超声研究
和应用单位的广泛应用。PZFlex目前也在中国获得了相当的应用。
PZFlex特色介绍
技术特点
采用显式有限元算法，专门为压电和超声波的传波而开发的，并提供
了长程波的传播模拟和结构热计算能力。提供了所有标准的复合换能器设
计要求的输出和技术验证。
PZFlex求解功能
PZFlex求解功能包括：
1. 任意复杂换能器的代码建模、向导建模和SolidWorks建模，支持预置
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及自定义激励波型模拟
2. 包括电极、匹配、背衬、电路在内的完整的2‐D和3‐D换能器模型
3. 等同于实验手段的真实时域有限元和结构有限元方法、仿真与实验数据直接对比
4. 使用部分吸收或者完全吸收边界条件模拟“无限大”介质，可设置非等半径吸收边界。
5. 超声波在固体、流体和生物材料中的吸收/阻尼/衰减(随频率变化)
6. 机械振动和参数优化研究
7. 通过FFT后处理器绘制计算瞬态响应分析中的阻抗或导纳图
8. 支持材料参数线性、非线性变化
9. 稳态响应和场的时域分析
10. 超声波传播建模、计算声场、位移、应力应变、热和损耗问题
11. 超声波在软/硬质生物组织中的相互作用
12. 超声波在弹性和声学材料中吸收和衰减
13. 医疗超声、无损检测在非线性生物组织模型（B/A)成像模拟
14. 超声换能器匹配、背衬、匹配电路设计与仿真
15. 医学治疗用高能超声声场聚焦、热及温度场分析
16. 基于波动方程的波场外推获得指向性，远场波形和平面波回波脉冲分析
17. 瞬态或稳态波动现象
PZFlex应用特点
超大大规模三维建模能力
模拟数百万单元的大型换能器阵列
可用于求解压电材料、单晶和复合材料换能器
用于换能器电子电路匹配和线束设计
一次计算获得导纳和阻抗、声束指向性和发射电压响应、脉冲回波
模拟
对压电材料建模与超声系统能够进行高速建模并保证精度
极广的求解能力，包括静电、热和电致伸缩
在医用超声换能器、海军声纳和成像系统、微电子机械系统、传感
器以及无损检测方面的数值模拟和实验校正
有长达几十年的经验，从医疗、工业探伤到气穴现象都能模拟
诊断超声波‐入射、反射和频率衰减
治疗超声波‐高能、非线性传播与热效应
噪声与振动控制：智能机械
支持大规模并行计算、All‐in‐Memory算法，用于大规模计算
支持Windows x86、64bit和Linux 32和64位平台
‐ 3 ‐
PZFlex 程序及模块
PZFlex根据用户需求的不同，内建了不同的模块：
PZFlex Professional 器件仿真模块，用于中等规模器件仿真分析；
Electrostatic (CMUT) module 电容式换能器模块，器件设计模块；
SpectralFlex module 大规模超声波传播仿真模块(100λ波长以上)；
PZFlex Professional换能器设计及超声波仿真模块
用于设计声波传播、压电及声学应用的软件包，使用显式时域方法，用于求解复杂一维、
二维、三维波传播问题，可用于模拟压电材料、声场流体、各向同性，各向异性材料、非线性
生物组织。丰富的压电及声波传播求解能力、并具备完善的后处理工具，拥有丰富的行业应用
经验。
技术参数：
全面的二维/三维求解器
显式/隐式算法
高频换能器振型分析结果
丰富的材料库，压电、各向同性、各向异性、固体、复合材料等
热和热/固耦合求解器
匹配电路设计能力，包括，电阻、电感、电容等电路匹配
丰富的后处理能力，方便地生成导纳曲线、TVR、Beam Profile
等
丰富的流体边界设定能力、包括辐射、散射、吸收边界等
SpectralFlex 大规模超声波传播仿真模块
专用于模拟大规模声波传播的软件，广泛地应用于求解长时间历程波传播模拟(100λ以
上)，具有丰富的求解能力，全面的物性参数、边界设定能力。
技术参数：
长程超声波求解能力
大规模求解能力
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显式算法
各向异性、各向同性介质中传播模拟
丰富的无损探测、声波探测应用能力
Electrode
Cavity
Silicon Nitride
Electrostatic (CMUT)电容式超声换能器设计模块
由于器件原理不同，CMUT是PZFlex开发的专
用于模拟cMUT (capacitive micromachined ultrasonic
Silicon
transducers) 问题的模块，用于解决器件的静电力和大变形问题。
SolidWorks数据导入向导模块
PZFlex和SolidWorks具有良好的接口，这就使复杂模型分析成为可能。通过PZFlex和SolidWorks的
接口界面，用户可以完成一个完整的分析。包括模型导
入、定义材料、网格划分、定义边界条件、施加载荷、
定义要输出的数据等。
PZFlex附加模块
PZFlex软件包括了REVIEW模块，REVIEW是
一个后处理程序能够用来计算阻抗，分析FFT信
号，绘制结果，在计算机屏幕上显示动画。在REVIEW中，
实验结果也很容易的导入，并可进行交会绘图。REVIEW
内置了时间调节、缩放、微分、积分操作工具，帮助用户
进行结果比对。REVIEW运用了基尔霍夫外推法得到持续的远场，并结合其他方程获得超声波
的指向性。
PZFlex便利性工具组
PZFlex材料导入工具
PZFlex三维模型导入工具
从SolidWorks中导入的模型（STL格式）在PZFlex中可以用导入工具进行网格划分，载荷边界
设定、激励波形、随后模型以PZFlex格式输出，并提交计算。PZFlex为用户提供包括Part/Assembly
模组的SolidWorks软件包。
‐ 5 ‐
PZFlex外推计算工具包
PZFlex二维建模工具包
PZFlex聚焦超声模拟工具MediFlex
MediFlex模块帮助用户快速创建高能聚焦超声(HIFU)模
型，并在PZFlex中进行计算。在MediFlex中，用户可以
快速地制定声源和超声传播介质，指定求解输出数据种类。同时
MediFlex提供了一系列换能器的模板，包括球壳换能器、曲线壳形换能
器和相控阵换能器，用户可以快速地选择激励换能器的类型，并输入
相应的参数，瞬间完成换能器和高能聚焦
超声(HIFU)模拟的建模。
PZFlex板波(Lamb Wave)离散工具包
PZFlex主动型材料极化方向工具包
PZFlex 压电、传播介质材料施加工具包
PZFlex 压电材料属性矩阵转换工具包
PZFlex 批处理计算管理工具包
PZFlex 阻尼曲线计算工具
PZFlex计算任务排程工具Job Scheduler
Job Scheduler允许用户对计算任务进行日程排布，使得
PZFlex/Build/Review按照该任务排布表进行连续的计算，用户也可
以通过Job Scheduler的高级选项定义计算控制台、自动暂停、停用图形显示、重命名计算结果
文件。
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