CN102095485A - 一种便携式超声声场参数测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于声学计量领域，尤其涉及一种便携式超声声场参数测量系统的设计，主要用于医用超声诊断设备、理疗设备和治疗设备的超声声场参数测量。一种便携式超声声场参数测量系统，所述测量系统包括超声信号接收探测模块，超声信号处理模块和超声信号参数计算和输出显示模块；本发明针对目前对医用超声设备的瞬态指标评估在产品的定型时期完成，需要通过复杂昂贵的声场扫描系统来实现，并且定型鉴定费用高、耗时多，设备复杂占地大以及无法满足日常检定的测量要求等缺点，本发明设计的便携式超声声场参数测量系统可以方便的测量超声设备的超声声场输出总功率、瞬时峰值声压等参数，使用方便快捷，可靠性高。

Description

一种便携式超声声场参数测量系统及其测量方法

技术领域

本发明属于声学计量领域，尤其涉及一种便携式超声声场参数测量系统的设计，主要用于医用超声诊断设备、理疗设备和治疗设备的超声声场参数测量。

背景技术

随着超声诊断设备、理疗设备和治疗设备在医疗等领域的广泛应用，确保各类医用超声设备的量值准确和安全，具有非常重要的意义。

目前在医用超声设备的功率测量方面，瓦级/毫瓦级超声功率计是测量医用超声仪器输出功率的重要设备。常用的功率计一般是基于辐射力的方法，通过反射靶或者吸收靶感知超声场的辐射力，后端的力值通过天平、力传感器或者电学方法来测量，经过一定的换算后计算出超声设备的输出总功率。

随着人们对安全理解的深入，医用超声设备的输出总功率不再是安全评价的最重要指标，瞬态峰值声压是评价安全性的重要参量。目前瞬态指标的评估一般是在产品的定型时期完成的，该测量是通过复杂昂贵的声场扫描系统实现的。一般来说，该定型鉴定费用高、耗时多，设备复杂占地大，无法满足日常检定的测量要求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，申请人研发了一种便携式超声声场参数测量系统及其测量方法。本发明设计了一种便携式的、基于水听器测量的超声声场参数测量系统，它能够完成对瓦级声源、毫瓦级声源的超声声场参数的准确测量。

便携式超声声场参数测量系统的原理是首先将已校准的测量水听器置于待测声场(即消声水槽)中。根据超声设备的不同，声场中的声波大致可以分为连续波信号和脉冲波信号两种情况。水听器能够以一定灵敏度测量声场某一点的声压信号并转换成电信号。该电信号经过阻抗匹配电路、程控增益电路、信号调理电路、A/D转换以及峰值采样处理和总线控制电路后，将数据上传至上位机后，计算出的声场参数并在显示屏上显示出来。能够通过声压信息计算出超声声场的其他一些参数。

本发明为了实现上述发明目的，所采用的技术方案如下，

一种便携式超声声场参数测量系统，

所述测量系统包括超声信号接收探测模块，超声信号处理模块和超声信号参数计算和输出显示模块；

所述超声信号接收探测模块包括超声换能器、待测声场和测量信号装置；所述超声信号接收探测模块探测待测超声设备的声压信号；

所述超声信号处理模块将探测到的超声设备的声压信号进行调整，匹配，自适应程控增益，A/D转换等处理；

所述超声信号参数计算和输出显示模块将处理后的信号进行存储、读取、抽样和计算峰值负声压、声功率、声强声场参数，绘制采集波形并将计算结果显示在液晶屏上。

为了实现探测超声声场信号的目的，所述超声信号接收探测模块中所述测量信号装置为水听器；所述待测声场采用消声水槽；

所述消声水槽的上下底部分别设置一个入水口和出水口，且在所述消声水槽的左右侧壁分别开设一个圆孔，分别放置所述待测超声仪器的换能器和所述水听器；测量时，将所述消声水槽中注入纯净水。

由于超声声场能量大小不同，所述超声信号接收探测模块中还包括能量衰减装置，所述能量衰减装置为衰减片；根据超声声场能量的大小选择不同的衰减片，以实现对不同功率等级的连续波声源和脉冲波声源的实现测量；所述衰减片设置在所述待测声场中。

具体的，所述消声水槽为四边形水槽；所述水槽的内部尺寸约为20cm×20cm×20cm，以便为B超阵列探头设置不同的聚焦深度时提供足够的进深。在所述消声水槽的四周壁上及底部铺设消声材料，所述消声材料选用高频的吸声橡胶；所述超声换能器设置在消声水槽左侧的柔性声窗内；且所述消声水槽中填充为纯净水；所述衰减片可自由拆卸地纵向设置在所述消声水槽中；所述衰减片尺寸为20cm×20cm，厚度为1cm，安装在水槽内壁的导向定位槽内。其在1MHz～10MHz频率范围内的声压衰减倍数需要精确的测量。

对水听器探测的信号需要进行一系列的调整和操作，因此所述超声信号处理模块包括阻抗匹配电路单元、程控增益电路单元、信号调理电路单元和A/D转换电路单元；

所述阻抗匹配电路单元用于将从所述水听器输出的电信号进行匹配，后传递到下一级电路；

所述程控增益电路单元针对被测超声换能器动态范围较宽，测量时需要将水听器输出的原始信号放大到适当的电压范围，以保证A/D转换和后续计算的精度；

所述信号调理电路单元用于对水听器获得的电信号进行滤波等处理，从而提高信号采集系统的性能与精度；

所述A/D转换电路单元用于对经过调理后的模拟电信号转换成数字信号。

本发明最后需要对数据进行计算和输出，因此所述超声信号参数计算和输出显示模块基于FPGA(现场可编程门阵列)的硬件峰值进行采样处理和总线控制电路；该模块通过FPGA的控制信号实现对A/D转换器输出的数据进行存储、读取和抽样，对超声设备声场参数的计算并显示。

所述基于FPGA(现场可编程门阵列)的ISA总线控制电路，用于将采集的大量数据进行硬件抽样，并通过ISA总线上传至PC104中，然后将波形以及计算得到的参数显示在液晶屏上。

本发明在研发测量系统的基础上设计了超声声场参数测量方法，

所述测量方法包括如下步骤，

A.设置测量系统：搭建系统中超声信号接收探测模块，超声信号处理模块和超声信号参数计算和输出显示模块；

B.启动系统；

C.判断声源类型：根据外面待测仪器的不同，选择是连续波声源还是脉冲波声源。

D利用采集的波形，实测超声源声波的频率；

E选择水听器类型，并载入水听器的灵敏度文件；

F采集并显示水听器采集的信号(经过匹配和放大)，将随机采集的波形进行相位固定处理，并根据采集波形自适应调整采样时间和采样率；。

G将采集并固定相位后的波形进行自适应增益调整，手动调整超声换能器的角度和位置使得采集的波形最高，并将显示波形的最大值调整到高于显示屏的70％后，记录当前增益值和波形量化值；利用上述参数及水听器的灵敏度文件，计算出待测超声声场的部分重要参数，如平均功率、峰值负声压、声强等。

H将计算的结果输出；

I结束。

其中，峰值负声压根据水听器接收到的信号，根据水听器的灵敏度计算所得。

峰值负声压：P_-＝U/M

功率、输出波束声强等计算公式参照IEC 62127-1

功率： $P=\∫\underset{s}{\∫}{l}_{\mathrm{TA}}(x,y)\mathrm{dxdy}$

空间峰值时间平均声强： $l_{\mathrm{spta}}=\frac{\mathrm{ppsi}}{\mathrm{\ρc}}\mathrm{prr}$

本发明设计了一种主要用于测量医用超声诊断设备、理疗设备和治疗设备的便携式超声声场参数测量系统，通过水听器测量的声压值计算出超声设备的峰值负声压、声强、声功率等声场参数。该系统主要由消声水槽及定量衰减片和一套硬件电路部分组成。主要包括测量针状水听器、阻抗匹配电路、程控增益电路、信号调理电路、A/D转换电路、基于FPGA的硬件峰值采样处理、总线控制电路等，同时，本发明方法包括自适应采样时间和采样率调节、自适应增益调整、相位固定处理、脉冲检测、幅度修正、声强和功率等计算等功能。处理器采用PC104模块，显示设备采用带触摸屏功能的彩色液晶屏，软件采用WINCE开发完成。

本发明针对目前对医用超声设备的瞬态指标评估在产品的定型时期完成，需要通过复杂昂贵的声场扫描系统来实现，并且定型鉴定费用高、耗时多，设备复杂占地大以及无法满足日常检定的测量要求等缺点，本发明设计的便携式超声声场参数测量系统可以方便的测量超声设备的超声声场输出总功率、瞬时峰值电压等参数，使用方便快捷，可靠性高。仅仅需要添加定量衰减片以及在操作界面上选择不同的声场输出波，就能够实现对不同功率、不同形态的超声声场的测量。

附图说明

图1是本发明便携式超声声场参数测量系统原理框图。

图2是本发明中阻抗匹配电路单元示意图；

图3是本发明中程控增益电路单元示意图；

图4是本发明中A/D转换电路单元示意图；

图5是便携式超声声场参数测量方法流程示意图。

上述示意图将结合具体的实施方式和发明内容加以说明

其中，1-超声换能器；2-消声水槽；3-水听器；4-衰减片；5-出水口；6-入水口；7-柔性声窗；8-纯净水。

具体实施方式

图1是本发明设计的便携式超声声场参数测量系统原理框图。该系统由消声水槽及定量衰减片部分，测量信号水听器，阻抗匹配电路，程控增益电路，信号调理电路，A/D转换电路，基于FPGA的硬件峰值采样处理、总线控制电路和上位机等部分组成。水听器是整个测量系统中的重要部件，它能把水中的声压信号转换成电信号。测量时，水听器通过图1中水槽右侧所开圆孔上的固定螺母和可以自由装卸的螺杆固定于水槽中；携带过程中，水听器和螺杆可以自由卸下来单独保存。

消声水槽及定量衰减片部分：该部分设计了一个长方体水槽，在水槽的四周壁及顶、底部贴上消声材料，消声材料选用用于高频的吸声橡胶，水槽的上下底部分别设置一个入水口和出水口，水槽的左右侧壁中央分别开一个圆孔，分别放置待测超声仪器的换能器(探头)和水听器。水槽中间放置了一个可自由装卸的定量衰减片。在测量瓦级超声设备时，根据声场能量的大小，决定放置衰减片还是取出衰减片。该衰减片在各个不同频率下的衰减值都必须经过精确的测量并输入上位机。消声水槽及定量衰减片建立了待测量超声设备的测量区域；测量信号水听器主要完成超声声压信号到电信号的转换。

阻抗匹配电路、程控增益电路、信号调理电路、A/D转换电路以及基于FPGA的硬件峰值采样处理、总线控制电路主要完成对电信号的匹配、放大、滤波及采样功能，并通过软件部分计算出超声设备的声场参数并显示在显示屏上。

图2是阻抗匹配电路，该电路采用运算放大器及外围元件组成，能够将前后两级电路隔离，使得前级的电信号以较高幅度传递到下一级电路。由于水听器的敏感元件尺寸很小，电容是pF级别，在MHz频率级别工作时，其等效输出阻抗非常高。该部分电路能够将水听器输出的电信号进行匹配，以便将较高幅度传递到下一级电路。

图3是本发明设计中采用的程控增益电路，为了能够测量不同功率的超声设备，并保证必要的测量精度，常常需要改变增益值。本发明中的程控增益电路采用了利用D/A转换器和程控放大器组成的程控增益电路。该部分电路主要是针对被测换能器动态范围较宽(超声场强度有强有弱)，测量时需要将水听器输出的原始信号放大到适当的电压范围，以保证A/D转换和后续计算的精度。对程控增益电路进行自适应控制，可以方便地实现量程的自动切换，提高A/D转换和后续计算的精度。

图4是本发明设计的A/D转换电路，采用了高速A/D采集转换芯片并设计了软件可调采样率和采样时间的控制电路。转换后的数字信号由于覆盖了较宽的时间，数据量较大，本发明中设计了高速硬件抽样电路，对大量的数据进行抽样得到512个待显示数据，并上传到上位机。该部分主要是针对测量水听器获得的电信号进行滤波等处理，从而提高信号采集系统的性能与精度。

图5是本发明方法流程图，通过FPGA的控制信号首先读取抽样后得到的数据。再根据计算函数及控制界面实现对超声设备声场参数的计算与显示。

A设置测量系统：搭建系统中超声信号接收探测模块，超声信号处理模块和超声信号参数计算和输出显示模块；

B启动系统；

C判断声源类型：根据外面待测仪器的不同，选择是连续波声源还是脉冲波声源。

D利用采集的波形，实测超声源声波的频率；

E选择水听器类型，并载入水听器的灵敏度文件；

F采集并显示水听器采集的信号(经过匹配和放大)，将随机采集的波形进行相位固定处理，并根据采集波形自适应调整采样时间和采样率；。

G将采集并固定相位后的波形进行自适应增益调整，手动调整超声换能器的角度和位置使得采集的波形最高，并将显示波形的最大值调整到高于显示屏的70％后，记录当前增益值和波形量化值；利用上述参数及水听器的灵敏度文件，计算出待测超声声场的部分重要参数，如平均功率、峰值负声压、声强等。

H将计算的结果输出；

I结束。

上述方式只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了使用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选地，而并不具有限制性的意义。

Claims (8)

1.一种便携式超声声场参数测量系统，其特征在于，

所述测量系统包括超声信号接收探测模块，超声信号处理模块和超声信号参数计算和输出显示模块；

所述超声信号接收探测模块包括超声换能器、待测声场和测量信号装置；所述超声信号接收探测模块探测待测超声设备的声压信号；

所述超声信号处理模块将探测到的超声设备的声压信号进行匹配、自适应程控增益、调理、A/D转换等处理；

所述超声信号参数计算和输出显示模块将处理后的信号进行存储、读取、抽样和计算峰值负声压、声功率、声强声场参数，绘制采集波形并显示计算结果。

2.根据权利要求1所述的一种便携式超声声场参数测量系统，其特征在于，

所述超声信号接收探测模块中所述测量信号装置为水听器；所述待测声场采用消声水槽；

所述消声水槽的上下底部分别设置一个入水口和出水口，且在所述消声水槽的左右侧壁分别开设一个圆孔，其中左边孔为声窗，右边为水听器安装孔，分别放置所述待测超声仪器的换能器和所述水听器；测量时，将所述消声水槽中注入纯净水。

3.根据权利要求1或2所述的一种便携式超声声场参数测量系统，其特征在于，

所述超声信号接收探测模块中还包括能量衰减装置，所述能量衰减装置为衰减片；根据超声声场能量的大小选择不同的衰减片，以实现对不同功率等级的连续波声源和脉冲波声源的实现测量；所述衰减片设置在所述待测声场中。

4.根据权利要求2或3所述的一种便携式超声声场参数测量系统，其特征在于，

所述消声水槽为四边形水槽；在所述消声水槽的四周壁上及顶、底部铺设消声材料，所述消声材料选用高频的吸声橡胶；所述超声换能器设置在消声水槽左侧的柔性声窗内；且所述消声水槽中填充为纯净水；所述衰减片可自由拆卸并纵向设置在所述消声水槽中；所述衰减片在1MHz～10MHz频率范围内的声压衰减倍数需要精确的测量；所述衰减片尺寸为20cm×20cm，厚度为1cm，安装在水槽内壁的导向定位槽内。

5.根据权利要求1所述的一种便携式超声声场参数测量系统，其特征在于，

所述超声信号处理模块包括阻抗匹配电路单元、程控增益电路单元、信号调理电路单元、A/D转换电路单元；

所述阻抗匹配电路单元用于将从所述水听器输出的电信号进行匹配，后传递到下一级电路；

所述程控增益电路单元针对被测超声换能器动态范围较宽，测量时需要将水听器输出的原始信号放大到适当的电压范围，以保证A/D转换和后续计算的精度；

所述信号调理电路单元用于对水听器获得的电信号进行滤波等处理，从而提高信号采集系统的性能与精度；

所述A/D转换电路单元用于对经过调理后的模拟电信号转换成数字信号。

6.根据权利要求1所述的一种便携式超声声场参数测量系统，其特征在于，

所述超声信号参数计算和输出显示模块，是基于FPGA的硬件峰值抽样及总线控制电路；所述基于FPGA的峰值抽样电路，用于将采集的大量数据进行硬件抽样，并通过ISA总线上传至处理器中，然后将波形以及计算得到的参数显示；即该模块通过FPGA的控制信号实现对A/D转换器输出的数据进行存储和抽样，对超声设备声场参数的计算并显示。

7.如权利要求1-6之一所述的系统进行超声声场参数测量方法，其特征在于，所述测量方法包括如下步骤，

A.设置测量系统：搭建系统中超声信号接收探测模块，超声信号处理模块和超声信号参数计算和输出显示模块；

B.启动系统；

C.判断声源类型：根据外面待测超声仪器的不同，选择声源类型：连续波声源还是脉冲波声源；

D.利用采集的波形，实测超声源声波的频率；

E.选择水听器类型，并载入所述水听器的灵敏度文件；

F.采集并显示水听器采集的信号，将随机采集的波形进行相位固定处理，并根据采集波形自适应调整采样时间和采样率；

G.将采集并固定相位后的波形进行自适应增益调整，手动调整超声换能器的角度和位置使得采集的波形最高，并将显示波形的最大值调整到高于显示屏的70％后，记录当前增益值和波形量化值；利用上述参数及水听器的灵敏度文件，计算出待测超声声场的部分重要参数，如平均功率、峰值负声压、声强等。

H.将计算的结果输出；

I.结束。

8.如权利要求7所述的超声声场参数测量方法，其特征在于，

步骤G中的峰值负声压根据水听器接收到的信号，根据水听器的灵敏度计算所得

所述峰值负声压：P_-＝U/M

功率、输出波束声强等计算公式参照IEC 62127-1

功率： $P=\∫\underset{s}{\∫}{l}_{\mathrm{TA}}(x,y)\mathrm{dxdy}$

空间峰值时间平均声强： $l_{\mathrm{spta}}=\frac{\mathrm{ppsi}}{\mathrm{\ρc}}\mathrm{prr}.$

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