CN103431875B - 一种提高水听器线性度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高水听器线性度的方法及装置，所述装置包括水听器、可变增益放大器、数据采集器、计算装置以及可编程控制器；本发明的方法是将水听器的输出信号通过可变增益放大器放大，经数据采集器换算成声压值输入计算装置，计算装置根据接收的声压值得到水听器的频响曲线，进而计算出所述可变增益放大器的放大频响曲线，可编程控制器监测该放大频响曲线信号频率，并向可变增益放大器输出控制信号控制可变增益放大器的放大系数，使可变增益放大器输出端的输出信号在规定的频率范围内输出幅度基本不变。本发明能够以很小的频率间隔控制放大器的放大系数，使放大器输出信号在规定的频率范围内输出幅度变化很小，从而提高水听器线性度。

Description

一种提高水听器线性度的方法及装置

技术领域    

本发明涉及一种超声设备检测用高频超声水听器，用于测量超声频率大于500KHz的超声信号，属于医用超声检测设备技术领域。

背景技术

众所周知，医用超声是超声学在医疗中的应用，根据其工作原理及特性，主要的应用分为两大类：

一、医用诊断超声，即用诊断超声主要是以低能量形式应用于医学领域，以探查和提取人体信息为目的，一般不会在人体组织内产生不可逆转的生物变化。由于医疗诊断超声设备是以探查和提取人体信息为目的，因此为了提高图像的清晰度，更精确、更清晰的反映组织的情况，现在超声诊断设备的声功率越来越大，有的甚至已经到了对人体组织产生生物变化的程度，尤其是对胎儿的影响尤为重大，过大的超声的效应可能造成胎儿的畸形。诊断超声的图像清晰和生物效应成了一对矛盾的主体，既要保证安全，又要达到图像清晰和生物效应成了一对矛盾的主体，既要保证安全，又要达到图像的清晰为临床诊断提供依据，为了保障安全使用超声诊断设备，行业内提出了诊断超声的安全阈值的问题。为此必须对医用诊断设备的声参数进行评价，确保临床应用中的安全性。

二、医用治疗超声，治疗超声主要是高能量的形式作用于人体，使人体组织发生某种有利于疾病治疗或是身体康复的变化。根据所用超声强度的不同，治疗超声又可分为理疗超声、热疗超声和高强度聚焦超声（HIFU），特别是HIFU进入体内的能量巨大，可以瞬间使组织发生不可逆的生物变化。同样为了保障人体用械安全，治疗超声设备也必须工作在安全阈值范围内。

这些安全阀值的测量必须依靠水听器来实现，目前国外市场上的高频超声水听器生产企业有美国ONDA公司、丹麦B&K公司和英国精密声学公司，其采用半导体集成电路生产的真空镀膜工艺，水听器的灵敏度在40M频率范围内基本在一条直线两侧微小变化，不会出现反向拐点，通常用每50KHz频率间隔进行校准，数据输入测量系统，计算机根据不同频率调用相关数据，换算成声压值，可以满足实际测量的需要，基本原理如图1所示。国内也有类似产品的制造商，如中科院声学所、无锡海鹰公司、上海交通大学和中船715所，但灵敏度曲线和国外产品无法相提并论，国内用户每年采购大量国外水听器。

国外传统的水听器采用陶瓷和PVDF制造，将接收敏感面做的很小，压电材料的接收灵敏度很小，在500KHz到40MHz的范围内得到较好的频率响应，在小信号的条件下，这种方法可以通过水听器输出端加通用放大器，将输出信号放大，再被数据采集器采集，读出相应的电压值，通过校准的灵敏度系数换算成声压值。随着治疗超声技术的迅猛发展，零点毫米的尺寸压电材料，其机械应力无法承受高强度的超声冲击力，把水听器几何尺寸做大，其机械应力虽然提高，但是水听器的频率响应就出现比较大的非线性，从技术上讲，对水听器拐点处校准很困难并且校准费用巨大，大多数用户无法承受，这将给日常使用带来很多困难。

发明内容    

本发明所要解决的技术问题是提高现有水听器的线性度，通过专用定制芯片技术实现水听器的输出频响在设定的范围内。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种提高水听器线性度的方法，包括以下步骤：

步骤（1），将水听器固定在测试场中，采用信号源向水听器发射频率连续变化、恒定声压的扫频测试信号；

步骤（2），水听器接收该扫频测试信号，在水听器的输出端设置一个可变增益放大器，水听器的输出信号经可变增益放大器放大后，经过数据采集器转换成声压信号输入至一计算装置；

步骤（3），该计算装置将所述声压信号采集、运算和存储，得到水听器的频响曲线，根据频响曲线计算出所述可变增益放大器的放大频响曲线，所述放大频响曲线和所述水听器的频响曲线以水平轴对称；

步骤（4），计算装置将所述可变增益放大器的放大频响曲线数据输送给可编程控制器，该可编程控制器监测该放大频响曲线信号频率并向可变增益放大器输出控制信号，以50KHz频率间隔控制可变增益放大器的放大系数，使可变增益放大器输出端的输出信号在规定的频率范围内输出幅度基本不变，从而实现水听器输出的频响曲线基本成一直线。

本发明还提出一种提高水听器线性度的装置，包括水听器、可变增益放大器、数据采集器、计算装置以及可编程控制器；其中，所述可变增益放大器用于将水听器的输出信号放大，所述数据采集器用于采集可变增益放大器放大后信号的电压值，并通过校准的灵敏度系数将电压值换算成声压值输入计算装置，所述计算装置根据接收的声压值得到水听器的频响曲线，进而计算出所述可变增益放大器的放大频响曲线；所述可编程控制器监测该放大频响曲线信号频率，并向可变增益放大器输出控制信号控制可变增益放大器的放大系数，使可变增益放大器输出端的输出信号在规定的频率范围内输出幅度基本不变。

作为进一步的优化方案，本发明的一种提高水听器线性度的装置中，所述可变增益放大器包括前置放大器、可控衰减器、后置放大器；其中所述前置放大器的输入端连接水听器的输出端，所述前置放大器的输出端依次连接可控衰减器、后置放大器，所述后置放大器的输出端连接数据采集器；所述可编程控制器输出控制信号至可控衰减器来控制可变增益放大器的放大系数。

本发明采用上述技术方案与现有技术相比的有益效果是：

1、可以解决目前国际上无法做到的高强度水听器频响曲线变化无拐点的技术问题。

2、可以让国内的水听器频响指标达到国外的先进水平，替代进口。

3、可以节约大量的成本，国外的水听器采购价是13万左右，而国内的水听器只有2000元，首次通过增加可变增益放大器2万元，用户可节约10万元成本，可变增益放大器后续可以重复使用，对新购水听器通过软件编程予以配套即可。

附图说明

图1是现有技术中测量普通水听器频响曲线的信号流向示意图。

图2是本发明通过可编程控制器向可变增益放大器输出控制信号的流向示意图。

图3是本发明提出的带可变增益放大器的水听器工作信号流向示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

为了达到本发明的技术目的，要求水听器输出端输出幅度基本稳定，由于大多数国产水听器输出随频率变化较大，特别是在幅值从上升向下降变化或从下降向上升变化的拐点处，信号的幅值变化率就非常大，数据在拐点校准时的误差就变大，在整个频带内无法满足使用要求，只有采用计算机技术逐点补偿来达到输出稳定的目的，使输出信号趋于平缓，不出现急剧拐点，系统通常由硬件和软件两部分组成，通过硬件和软件两部分的有机组合可以实现较复杂的功能。可变增益放大器就是有软硬件结合的电子系统，即增益可由计算机编程实现。

参见图2、图3，本发明提出一种提高水听器线性度的装置，包括水听器、可变增益放大器、数据采集器、计算装置以及可编程控制器；其中水听器输出端连接可变增益放大器的输入端，所述可变增益放大器的输出端连接数据采集器，所述数据采集器与计算装置连接，所述计算装置与可编程控制器连接；可变增益放大器包括前置放大器、可控衰减器、后置放大器；其中所述前置放大器的输入端连接水听器的输出端，所述前置放大器的输出端依次连接可控衰减器、后置放大器，所述后置放大器的输出端连接数据采集器，可编程控制器的输出端连接可控衰减器。

在实际工作时，将现有的水听器固定在测试场中，信号源向水听器发射频率连续变化恒定声压扫频测试信号，用水听器接收信号，可变增益放大器将水听器的输出信号放大，数据采集器采集可变增益放大器放大后信号的电压值，并通过校准的灵敏度系数将电压值换算成声压值输入计算装置，计算装置根据接收的声压值得到水听器的频响曲线，假定输出为一直线，则可变增益放大器与水听器的频响曲线应和前述直线对称，通过补偿原理进而计算出可变增益放大器的放大频响曲线，该放大器频响曲线和水听器的频响曲线以水平轴对称；可编程控制器监测该放大频响曲线信号频率，并向可变增益放大器输出控制信号至可控衰减器，以很小的频率间隔来控制可变增益放大器的放大系数，使可变增益放大器输出端的输出信号在规定的频率范围内输出幅度基本不变或变化幅度很小，从而实现水听器输出的频响曲线基本成一直线，提高其线性度。水听器和可变增益放大器连接起来的理想结果是输出一条直线。

通过前述方法测量和编程，实现水听器的频响曲线达到要求，通过这样的方法，达到国外膜式水听器的频响曲线要求，方便用户使用。 

Claims (3)

1. 一种提高水听器线性度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤（1），将水听器固定在测试场中，采用信号源向水听器发射频率连续变化、恒定声压的扫频测试信号；

步骤（2），水听器接收该扫频测试信号，在水听器的输出端设置一个可变增益放大器，水听器的输出信号经可变增益放大器放大后，经过数据采集器转换成声压信号输入至一计算装置；

步骤（3），该计算装置将所述声压信号采集、运算和存储，得到水听器的频响曲线，根据频响曲线计算出所述可变增益放大器的放大频响曲线，所述放大频响曲线和所述水听器的频响曲线以水平轴对称；

步骤（4），计算装置将所述可变增益放大器的放大频响曲线数据输送给可编程控制器，该可编程控制器监测该放大频响曲线信号频率并向可变增益放大器输出控制信号，以50KHz频率间隔控制可变增益放大器的放大系数，使可变增益放大器输出端的输出信号在500KHz到40MHz的范围内输出幅度基本不变，从而实现水听器输出的频响曲线基本成一直线。

2. 一种提高水听器线性度的装置，其特征在于：包括水听器、可变增益放大器、数据采集器、计算装置以及可编程控制器；其中，所述可变增益放大器用于将水听器的输出信号放大，所述数据采集器用于采集可变增益放大器放大后信号的电压值，并通过校准的灵敏度系数将电压值换算成声压值输入计算装置，所述计算装置根据接收的声压值得到水听器的频响曲线，进而计算出所述可变增益放大器的放大频响曲线；所述可编程控制器监测该放大频响曲线信号频率，并向可变增益放大器输出控制信号控制可变增益放大器的放大系数，使可变增益放大器输出端的输出信号在500KHz到40MHz的范围内输出幅度基本不变。

3. 根据权利要求2所述的一种提高水听器线性度的装置，其特征在于：所述可变增益放大器包括前置放大器、可控衰减器、后置放大器；其中所述前置放大器的输入端连接水听器的输出端，所述前置放大器的输出端依次连接可控衰减器、后置放大器，所述后置放大器的输出端连接数据采集器；所述可编程控制器输出控制信号至可控衰减器来控制可变增益放大器的放大系数。