CN109596210A - 一种基于声波散射的高强度聚焦超声声场测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于声波散射的高强度聚焦超声声场测量方法。本发明包括：一种实现了高强度聚焦超声声场的测量方法，其利用一套以一种高强度聚焦超声测量传感器为核心的高强度聚焦超声声场测量系统,以及运用MATLAB软件和COMSOL软件来编程反演，计算焦域声场声压。该方法具体为聚焦超声换能器发射超声声束，传播到焦域，在探针的半球面尖端发生散射，然后由PVDF压电薄膜圆环接收散射声波，PVDF压电薄膜圆环通过压电效应将声信号转化为电信号；通过COMSOL软件仿真认知散射过程，以及用MATLAB软件仿真计算得到PVDF压电薄膜圆环测量处和探针所处位置之间声压的关系，通过反演，利用实验所得数据，得到焦域的声场声压。本发明成本低且与水听器法相比，避免了因能量过大而导致传感器装置的损坏，操作简便，实用性高，误差低。
Description
技术领域
本发明涉及超声波聚焦测量、软件仿真、传感器技术领域，特别是涉及一种基于声波散射的高强度聚焦超声声场测量方法。
背景技术
近年来，声学在各行各业的应用日益增加，尤其是在制造业，以及医疗行业，超声波技术被应用的更为广泛。特别是较为成熟的HIFU技术，其利用高强度聚焦超声使焦域处的组织瞬间凝固性坏死，焦域以外组织无显著损伤，凝固坏死组织可逐渐被吸收或瘢痕化，从而达到治疗的效果。可见高强度聚焦超声具有医疗价值，因此研究测量聚焦超声声场就具有重要意义。
目前传统的聚焦超声声场测量法为辐射力法、水听器检测法、光纤检测法、光学检测法。辐射力法是在液体中通过声辐射压力测量声功率的方法，操作简便，但是当声功率太大，水中会有空化泡群，该干扰使得测量声功率不稳定，即环境要求很高。水听器是利用把水下声压信号转换为电信号的换能器。用于做水听器的材料有压电陶瓷和PVDF，当声功率超出一定范围，压电陶瓷容易被打碎，PVDF虽然质地相对柔软，更加稳定，但是针型的PVDF依旧容易在高强度聚焦声场中损坏。光纤检测法主要是端面法、光纤光栅、声光衍射，光纤虽然体积小，空间分辨率高，但是有一定的测量要求和局限性。光学检测法是一般用来定性检测声场的，实验现象可以直接让肉眼观察声场的分布。
由于高强度聚焦超声声场的能量非常高，至今没有一种完全理想的方法全面检测高强度聚焦超声声场，现在主要是辐射力法和水听器法应用于高强度聚焦超声声场的测量。
高强度聚焦超声声场声压一般超过20MPa,负压有可能超过-10MPa，同时伴随空化等现象，当声压超过空化阈值时，空化气泡的爆破会产生极高压力，会对装置产生损坏，以及造成经济损失，实验失败。因此在测量高强度聚焦超声的过程中，寻找一种方法避免实验的损坏，又能够使测量误差在合理接受范围内，是值得引起人们的重视和研究。
发明内容
为了避免在高强度聚焦超声测量时装置的损坏，本发明提供了一种高强度聚焦超声声场测量方法，具有操作简单、成本低廉、实验部件灵敏度高、信号处理简便、可行性高等优点。
本发明方法的具体步骤是：
1）搭建一套以一种高强度聚焦超声测量传感器为核心的高强度聚焦超声声场测量系统。
该系统包含一聚焦超声换能器以及一自制的高强度聚焦超声测量传感器，其中探针是该传感器的核心部件之一，其尖端为直径1mm的半球面。测量时，将探针的圆心放置于聚焦超声换能器的焦域处，在距离探针一定距离处垂直散射方向上有一圆环，用PVDF制作，外圈采用吸声材料加固。
2）测量前，对测量系统进行调试，其后启动测量装置进行测量。
3）利用实验前计算的仿真结果，分析得到PVDF压电薄膜圆环测量处和探针所处焦域的声压关系，对采集到的信号进行处理，得到超声波聚焦区域的声场声压。
因此在实验前，通过MATLAB软件可以对探针散射方向性进行仿真，获取探针半球面上各个方向的初始散射声压值，本发明此处选择90度方向，即垂直于探针的方向。同样计算该方向10mm处的散射声压理论值，通过数据，就分析处球面声压和10mm处声压理论值的关系。然后通过实验，处理示波器得到的电信号，换算成10mm处的散射声压值，可以反演，得到聚焦区域的声场声压。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用的是聚焦超声换能器，在超声传播过程中能量集中于聚焦区域，运用刚性探针的散射实现间接测量。相比于直接测量法，可以有效的避免装置的损坏，减少其经济损失。
2、本发明在实验前需利用COMSOL软件和MATLAB软件进行仿真，预先确定探针半球面端与PVDF测量点声压的关系。针对传感器制作的需求，自行选择探针与PVDF压电薄膜圆环的距离，对仿真结果进行处理，分析得出探针半球面端与PVDF测量点声压的关系，实验后可反演得到焦域声场声压。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为高强度聚焦超声测量传感器示意图；
图3为焦域处超声波散射测量的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的整体结构包括信号发生器1、功率放大器2、聚焦超声换能器3、高强度聚焦超声测量传感器4、水介质5、水槽6、示波器7。本发明通过信号发生器1发生高频正弦脉冲信号，将该信号通过功率放大器2放大信号能量，放大后的信号通过固定在水槽6一侧内壁上的聚焦超声换能器3发射超声声束，声束在水介质5中传播，高强度聚焦超声测量传感器4的探针放置在被测聚焦区域中，声波经探针端面发生散射，散射波被高强度聚焦超声测量传感器4的PVDF压电薄膜圆环所接收，将电压信号经导线传输出给示波器7。
如图2所示，高强度聚焦超声测量传感器由固定尼龙圆板1（中心有个通孔）、聚酰亚胺薄膜2、PVDF压电薄膜3（环状）、导线4、吸声材料5（环状）、探针6（尖端为半球面）、除氧水7、吸声材料8（圆板）、固定尼龙圆板9（无通孔）、螺栓10和螺丝11构成。高强度聚焦超声测量传感器前端是有通孔的固定尼龙圆板1，通孔需要让聚焦声束通过，然后在该固定圆板后面加上一层聚酰亚胺薄膜2，因为聚酰亚胺薄膜2透声性能良好，使得大部分声波能够穿过通孔经过聚酰亚胺薄膜2进入内部，聚酰亚胺薄膜2还起到隔绝外界和高强度聚焦超声测量传感器内部的水接触，内部为除气水7；声波在进入传感器后，在探针6尖端发生散射，探针6固定在吸声圆板8正中间；PVDF压电薄膜圆环3会接收到来自探针6的散射，导线4将电信号传输出去；整个传感器被前后两块固定尼龙圆板夹住，用螺栓10和螺丝11固定住。
如图3所示，声波在焦域处可以认为是平行波，声波在探针的半球面尖端发生散射，向外辐射散射波。
利用本发明测量时，聚焦超声换能器发射超声声束穿过高强度聚焦超声测量传感器的通孔，在内部除气水中汇聚于聚焦区域，经过探针半球面端面后，超声声束会发生散射，然后直达PVDF压电薄膜圆环，部分的散射波也会被吸声圆板吸收；根据压电效应，PVDF压电薄膜圆环会产生电荷，通过PVDF压电薄膜圆环产生的电压传输给示波器，记录下电压信号数据，作为散射声压测量的依据；当PVDF压电薄膜圆环位置发生变化或者声波频率改变，检测的散射声压都会相应发生变化。因此根据上一步中检测到的声压信号，利用反演算法，可以推算出被测焦域的声场声压。
以下为本发明的具体实施例：
1)超声波在焦域散射的仿真
步骤1）利用COMSOL软件进行仿真，可以发现超声波聚焦于聚焦区域，在半球面尖端的探针上，会发生散射，半球面作为次级声源，向外发射超声波。
步骤2）利用MATLAB软件进行仿真，可以计算探针端面和垂直于探针10mm处的声压关系。
2）超声波散射测量装置的结构设计与制作
步骤1）本发明所设计的高强度聚焦超声测量传感器结构如图2所示。该传感器中PVDF压电薄膜圆环在本发明中的作用是通过接收散射声信号，检测超声波焦域的声场声压，为了能够准确的测量散射声压，采用PVDF制作成3mm宽度圆环，吸声圆环则采用厚度为1cm的吸声材料制成，可以有效吸收声波，减小了振动带来的影响和反射的影响，同时也起到了对PVDF压电薄膜圆环的一个固定作用，同样在后方垫上5mm的吸声圆板，吸收来自散射的部分声波，避免影响测量结果，整个高强度聚焦超声测量传感器被整体安置在水槽里。探针长度为5cm，直径为1mm，其中需要放入焦域的一端为半球面，其直径为1mm，整根探针用钢材制造，采用钢材保证了在散射的过程中，探针具有刚性的特性；最后将两块固定尼龙圆板一前一后用螺丝和螺栓将整个高强度聚焦超声测量传感器固定住。
步骤2）设计测量实验的水槽。声波在介质中或消声材料中传播不可避免的会有部分声波发生反射与折射，设计水槽时应该减少声波透射到外界。因此水槽材料需要隔声性能较好并且能够将声波重新发射回水槽内部。因此本发明用隔声性好、绝缘性好的高分子透明材料PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）制作了一个长方体结构的水槽。
步骤3）聚焦超声换能器和高强度聚焦超声测量传感器的放置位置。将聚焦超声换能器竖直固定在PMMA水槽一侧的内壁上，探针尖端放置在聚焦超声换能器的焦域处。
2)超声波散射测量系统的设计
步骤1）超声波信号的产生。使用信号发生器，设置参数，频率为1MHz，振幅为20Vpp，脉冲发射，将信号接入功率放大器，调节阻抗，然后再将电信号接入聚焦超声换能器，利用压电效应，产生声信号，发射声束到水介质中。
步骤2）散射声信号的接收。步骤一中的声信号进入高强度聚焦超声测量传感器，在探针上发生散射，通过PVDF压电薄膜圆环，将接收的散射声信号转化为电信号，然后通过PVDF压电薄膜圆环上的导线，被示波器接收，读取并记录声压信号产生的电信号。
Claims (4)
1.一种基于声波散射的高强度聚焦超声声场测量方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
1）搭建一套以一种高强度聚焦超声测量传感器为核心的高强度聚焦超声声场测量系统，其包括超声激励系统，聚焦超声换能器，自制的高强度聚焦超声测量传感器，水槽和示波器；
2）测量前，需运用MATLAB和COMSOL两个仿真软件，建立仿真程序，COMSOL软件进行仿真，可以认知该散射过程；MATLAB软件进行仿真，可以计算PVDF压电薄膜圆环测量处和探针所处位置之间声压的关系。
3）通过实验测得声压，可实现焦域处声场声压的反演。
2.根据权利要求1所述的一种基于声波散射的高强度聚焦超声声场测量方法，其特征在于：所述的PVDF压电薄膜圆环测量处和探针所处位置之间声压的关系可以通过MATLAB软件仿真计算得到，同样COMSOL软件也是通过仿真计算认知散射过程。
3.根据权利要求1所述的一种基于声波散射的高强度聚焦超声声场测量方法，其特征在于：所述的超声焦域声压测量环节需要由探针与PVDF压电薄膜圆环两者结合。
4.根据权利要求1所述的一种基于声波散射的高强度聚焦超声声场测量方法，其特征在于：所述的高强度聚焦超声测量传感器由两块固定尼龙圆板（一块有通孔）、聚酰亚胺薄膜、PVDF压电薄膜圆环、导线、吸声圆环、吸声圆板、螺丝、螺栓、除气水和尖端为半球面的探针构成。
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Application publication date: 20190409 |