CN110608795A - 动态声压检测装置、动态声压检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动态声压检测装置、动态声压检测方法，属于超高声压检测技术领域，其可解决现有的声压测量方法量程有限的问题，弥补GPa量级高声压测量方法的空白。本发明的动态声压检测装置，包括：荧光材料，其能够在激发激光的照射下发出荧光，荧光材料的发射光谱特征谱线位置与其所处环境的声压相关；激光源，用于向荧光材料照射激发激光，以激发荧光材料发出荧光；荧光检测单元，用于将荧光材料发出的荧光转换为电信号，且荧光检测单元的检测时间小于荧光材料所处环境的声压信号周期；处理单元，根据电信号确定荧光光谱特征谱线位置，依照预存的荧光材料的发射光谱特征谱线位置与声压的对应关系确定荧光材料所处环境的声压。

Description

动态声压检测装置、动态声压检测方法

技术领域

本发明属于超高声压检测技术领域，具体涉及一种动态声压检测装置、动态声压检测方法。

背景技术

超声波聚焦技术广泛应用于超声治疗，医学成像，超声处理，超声检测(探伤、测厚、多普勒测距)等领域，其中超声治疗、超声处理领域对超声波的能量要求较高，提高聚焦区域内的声压有助于提高超声治疗效率，拓展超声处理的能力范围。

面对超声聚焦产生高声压的研究需求，对高声压的测量需求也随之产生。而目前常用的声压测量仪器有压电水听器，PVDF膜式水听器，光强型光纤水听器，这些仪器仅能适用于较低声压水平，无法对较高量级的声压(例如GPa级别)进行测量。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种能够突破现有技术中声压检测的范围的动态声压检测装置。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种动态声压检测装置，包括荧光材料，其能够在激发激光的照射下发出荧光，所述荧光材料的发射光谱特征谱线位置与其所处环境的声压相关；

激光源，用于向所述荧光材料照射激发激光，以激发所述荧光材料发出荧光；

荧光检测单元，用于将所述荧光材料发出的荧光转换为电信号，且所述荧光检测单元的检测时间小于所述荧光材料所处环境的声压信号周期；

处理单元，根据所述电信号确定所述荧光材料的荧光光谱特征谱线位置，依照预存的所述荧光材料的发射光谱特征谱线位置与声压的对应关系确定所述荧光材料所处环境的声压。

优选的，所述荧光检测单元包括：

分光模块，用于收集所述荧光材料发出的荧光，对所述荧光进行分光；

光电检测模块，用于将分光后的各波段的荧光转换为电信号，所述光电检测模块的最短曝光时间小于所述荧光材料所处环境的声压信号周期。

优选的，所述光电检测模块为光电耦合器件。

优选的，所述动态声压检测装置还包括：

媒质容器，用于容纳超声换能器和传声媒质，超声换能器的焦域位于在所述媒质容器内；

固定单元，用于将超声换能器固定于所述媒质容器中。

优选的，所述动态声压检测装置还包括：

样品容器，其能设于所述媒质容器内超声换能器的焦域处，所述样品容器用于容纳所述荧光材料和传声媒质，且所述样品容器的容器壁包括允许激发激光射入样品容器内的第一透光部、允许荧光射出样品容器外的第二透光部和允许超声波传输的透声部。

进一步优选的，所述样品容器的容器壁的材料包括聚四氟乙烯。

进一步优选的，所述样品容器的容器壁的厚度范围为0.1mm-0.2mm。

进一步优选的，所述动态声压检测装置还包括：

移动单元，用于将所述样品容器移动至超声换能器的焦域处。

优选的，所述荧光材料包括红宝石微粉。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种动态声压检测方法，包括：

向位于待测声压位置的荧光材料照射激发激光，以激发所述荧光材料发出荧光，其中，所述荧光材料的发射光谱特征谱线位置与其所处环境的声压相关；

将所述荧光材料发出的荧光转换为电信号；其中，检测时间小于所述荧光材料所处环境的声压信号周期；

根据所述电信号确定所述荧光材料的发射光谱特征谱线位置，依照预存的所述荧光材料的发射光谱特征谱线位置与声压的对应关系确定所述荧光材料所处环境的声压。

本发明的动态声压检测装置中，可将荧光材料置于待测声压位置处，利用激光源对荧光材料照射激发激光，使荧光材料发出荧光，利用检测时间小于声压信号周期的荧光检测单元检测荧光信号，最终通过处理单元计算处理确定待测声压位置处的具体声压。其中，根据所检测声压范围的不同，对应调整荧光材料以及激发激光即可，从而可解决现有技术中对超声波聚焦声压检测的范围有限的问题。

附图说明

图1为本发明的实施例1的动态声压检测装置的示意图；

图2为本发明的实施例1的动态声压检测装置的部分结构示意图；

图3为本发明的实施例2的动态声压检测方法的流程图；

其中附图标记为：001、超声换能器；002、样品容器；003、移动单元；004、收光透镜组；005、激光源；006、光谱仪；007、光电耦合器件；008、处理单元；010、媒质容器；101、透声部；102、石英玻璃；103、螺纹；104、夹具；105、螺钉。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例提供一种动态声压检测装置，其可用于检测某一位置处的声压，例如，其可用于检测超声换能器的焦域处的声压。

该动态声压检测装置包括：荧光材料、激光源005、荧光检测单元，以及处理单元008。其中，

荧光材料能够在激发激光的照射下发出荧光，荧光材料的发射光谱特征谱线位置与其所处环境的声压相关。

即，该荧光材料能够在激发激光的照射下产生荧光，且在不同的声压下的发射光谱特征谱线位置不同，即在不同声压环境下，发射光谱特征谱线位置会发生偏移。本实施例中，可利用荧光材料的发射光谱特征谱线位置与所处环境的声压的对应关系，检测在一定声压下荧光材料所发出的荧光的发射光谱特征谱线位置，从而确定该荧光材料所处环境的声压，例如，将荧光材料置于超声换能器001的焦域处，以测得超声换能器001发出的超声波在焦域处聚焦所产生的具体声压。在此需要说明的是，也可通过计算相对于常压环境(0.1MPa)下，荧光材料的发射光谱特征谱线位置偏移量来确定该荧光材料所处环境的声压。

优选的，本实施例中，荧光材料可为红宝石微粉。红宝石微粉在受激发激光的激发后会发出荧光，根据所处环境压力的不同，其发射光谱特征谱线位置会发生频移，且红宝石微粉的压标可达到100GPa。而由于超声换能器001的焦域处的声压通常比较高，甚至可达到GPa级别，故本实施例中优选采用红宝石微粉作为荧光材料，以检测GPa级别的声压。

当然，可以理解的是，荧光材料只要为发射光谱特征谱线位置与声压有关的物质即可，不必局限于红宝石微粉，具体可根据所需检测的声压范围对荧光材料进行具体选择，在此不再详述。

激光源005，用于向荧光材料照射激发激光，以激发荧光材料发出荧光。即在检测动态声压时，利用激光源005向荧光材料照射激发激光，通过激发激光的照射，使得荧光材料能够发出激光。当进行声压检测时，可通过机械设计调整激光源005的位置以及发光角度等，以保证激光光束能够照射并覆盖待测声压位置(例如超声换能器001的焦域范围)

优选的，本实施例中的激光源005为泵浦激光源005，以发出更高能量级的激光，从而更好地激发荧光材料激光。其中，对应不同的荧光材料，激光源005应发出不同波长的激发激光，例如，当荧光材料为红宝石微粉时，激光源005应对应发出波长为514纳米左右的激发激光。

荧光检测单元，用于将所述荧光材料发出的荧光转换为电信号，且所述荧光检测单元的检测时间小于所述荧光材料所处环境的声压信号周期。荧光检测单元通过将荧光材料发出的荧光转换为电信号后，可将该电信号传送给处理单元008，以便处理单元008根据该电信号形成荧光光谱，并对其进行处理，识别荧光光谱特征谱线位置，依照预存的所述荧光材料的发射光谱特征谱线位置与声压(也即环境压力)对应关系确定所述荧光材料所处环境的声压。

优选的，本实施例中，荧光检测单元包括：分光模块，和光电检测模块。其中，

分光模块用于收集荧光材料发出的荧光，对荧光进行分光。具体的，分光模块可将荧光材料发出的荧光根据不同波段进行分光，以便于光电检测模块进行检测。优选的，分光模块可为光谱仪006。

优选的，荧光检测单元还包括收光透镜组004，其可收集荧光材料发出的荧光，并将所收集的荧光转换为平行光以后送入分光模块进行分光，以使分光模块的分光更精确。

光电检测模块，用于将分光后的各波段的荧光转换为电信号，以供处理单元008根据该电信号确定荧光材料当前的发射光谱特征谱线位置。其中，光电检测模块的最短曝光时间小于荧光材料所处环境的声压信号周期。其中，声压信号周期指动态变化的声压的变化周期。由于本实施例中检测的声压是动态的，所以需要其检测时间短于环境声压的变化周期，以保证对环境声压检测的准确性。优选的，本实施例中，光电检测模块为光电耦合器件007(Charge-coupled Device；CCD)，其可感知检测各单色光的光强。具体的，当检测超声换能器001的焦域处声压时，由于超声换能器001发出的超声波通常为脉冲超声波，故其在超声换能器001焦域处聚焦产生的声压也是瞬时的，因此，本实施例中，光电耦合器件007应具有快速曝光功能，且其最短曝光时间应小于超声波的周期时间，以保证能够检测出超声波在焦域处聚焦时刻产生的高声压。进一步的，在利用光电检测模块进行检测时，可控制光电耦合器件007在超声波输出周期上进行多次锁相光谱采集，以使检测结果更加精准。

处理单元008，用于根据荧光检测单元所转换的电信号确定荧光材料当前的发射光谱特征谱线位置，依照预存的荧光材料的发射光谱特征谱线位置与声压对应关系确定荧光材料所处环境的声压。其中，荧光材料的发射光谱特征谱线位置与声压对应关系可通过预先采集荧光材料在不同声压下的发射光谱特征谱线位置获得。例如，在检测超声换能器001的焦域处声压时，可通过计算处理超声波输出前后红宝石双R线(波长694.3nm，692.9nm)的频移波长量来获得超声换能器001的焦域处声压。

本实施例中，处理单元008可为计算机，其中可安装有分光模块和光电检测模块的上层控制软件，用以控制分光模块和光电检测单元的工作时序，并对光电检测模块所转换的电信号进行处理，从而确定荧光材料的发射光谱，识别出发射光谱特征谱线位置，并最终根据该发射光谱特征谱线位置与预存的荧光材料的发射光谱特征谱线位置环境声压的对应关系，确定该荧光材料发出荧光时所处环境的声压。

优选的，处理单元008还可用于控制超声换能器001的工作时序，具体的，本实施例中，可通过处理单元008控制超声换能器001输出超声波的同时，向荧光检测单元发送触发信号，控制分光单元精准进行同步触发，并控制光电检测器件在超声波输出周期上进行锁相光谱采集。

其中，优选的，当检测超声换能器001的焦域处的声压时，本实施例中的动态声压装置应还包括：媒质容器010，用于容纳超声换能器001和传声媒质，超声换能器001的焦域位于在媒质容器010内；固定单元，用于将超声换能器001固定于媒质容器010中。

如图1所示，媒质容器010可为水槽，其中可盛放水作为超声波的传声媒质，同时，媒质容器010的体积应足够放置超声换能器001，且能够使超声换能器001的焦域也在媒质容器010的范围内。固定单元则用于将超声换能器001固定于媒质容器010的某一处，且超声换能器001固定后，其焦域应也在媒质容器010内。

优选的，动态声压装置还包括：样品容器002，其能设于媒质容器010内超声换能器001的焦域处，样品容器002用于容纳荧光材料和传声媒质，且样品容器002的容器壁包括允许激发激光射入样品容器002内的第一透光部、允许荧光射出样品容器002外的第二透光部和允许超声波传输的透声部101。

本实施例中，优选通过样品容器002将荧光材料固定置于超声换能器001的焦域处。具体的，如图2所示，样品容器002可为圆柱形结构，其中，透声部101可为由聚四氟乙烯材料构成的一端具有开口的圆柱形结构，其厚度范围可为0.1mm-0.2mm。开口端可通过螺纹103压接石英玻璃102构成光学窗口。激发激光可穿过石英玻璃102射入样品容器002内，而荧光材料发出的荧光能够穿过石英玻璃射出至样品容器002外，即开口端的石英玻璃102既为第一透光部，又为第二透光部。

样品容器002中可盛放有荧光材料和传声媒质的混合溶液，二者可通过上述开口放入样品容器002中，其中，传声媒质与荧光材料应具有较好的互溶性，以使超声波能在样品容器002中进行均匀传输，从而在尽量不影响超声波传输的情况下实现对焦域处声压的检测。

其中需要说明的是，样品容器002中的传声媒质与媒质容器010的超声容器中的传声媒质的具体材料可以相同，也可以不同。当二者为不同的传声媒质时，两种传声媒质的传声阻抗应尽量相同，以尽量避免因超声阻抗而导致声压检测不精准。当然，也可以通过实验、计算等方式确定传声阻抗对焦域处声压的影响，在此基础上结合实际检测的结果推算焦域处的真实声压，从而实现对超声换能器001的焦域处声压的精准检测。

本实施例中，超声换能器001发出的超声波借助媒质容器010中的传声媒质进行传输，并能够穿过样品容器002的样品壁，借助样品容器002内的传声媒质继续进行传输。由于样品容器002位于超声换能器001的焦域处，故超声波可在样品容器002内进行聚焦并形成高声压环境，从而，样品容器002中的荧光材料也会处于由超声波聚焦形成的高声压环境下。当荧光材料被激发激光照射后，其产生的荧光穿过样品容器002的容器壁，被荧光检测单元接收，通过荧光检测单元的检测以及后续处理单元008的处理，最终可确定荧光材料所处环境(也即超声换能器001的焦域处)的具体声压。

优选的，动态声压装置还包括：移动单元003，用于将样品容器002移动至待测声压位置。具体的，移动单元003可包括：步进电机、上位机控制模块和三维滑动丝杆104，三维滑动丝杆104一端设置有夹具，其可通过螺钉105与样品容器002连接。本实施例中，通过上位机控制模块控制步进电机的工作，从而控制三维滑动丝杆104的运动，进而通过三维滑动丝杆104带动样品容器002移动至超声换能器001的焦域处。

本实施例提供的动态声压检测装置中，可令超声换能器001和样品容器002都置于媒质容器010中，利用样品容器002将荧光材料固定于超声换能器001的焦域处，并使超声换能器001所发射的超声波能够在焦域处聚焦形成高声压。利用激光源005对荧光材料照射激发激光，以激发荧光材料发出荧光，通过检测时间小于声压信号周期的荧光检测单元检测荧光信号，最终通过处理单元008计算处理确定超声换能器001的焦域处的具体声压。其中，根据所检测声压范围的不同，对应调整荧光材料以及激发激光即可，从而解决了现有技术中对超声波聚焦声压检测的范围有限的问题。

实施例2：

如图3所示，本实施例提供一种动态声压检测方法，其利用实施例1中提供的动态声压检测装置，对超声换能器的焦域处的声压进行检测。

下面以检测超声换能器的焦域处的声压为例对本实施例进行具体说明。

该动态声压检测方法包括：

S1、将荧光材料和传声媒质置于样品容器中，并通过移动单元将样品容器移动至超声换能器的焦域处。

其中，样品容器和超声换能器都应处于媒质容器中，且样品容器应位于超声换能器的焦域处。媒质容器中也盛有传声媒质。

S2、利用激光源向位于焦域处的荧光材料照射激发激光，以激发荧光材料发出荧光。

S3、超声换能器发射超声波。

超声换能器发射的超声波的能够借助媒质容器中的传声媒质进行传输，并穿过样品容器的容器壁，继续借助样品容器中传声媒质进行传输聚焦，样品容器中的荧光材料处于由超声波聚焦形成的高声压环境中。

S4、荧光检测单元检测收集荧光材料发出的荧光并将其转换为电信号。

其中，荧光检测单元包括分光模块，和光电检测模块。分光模块用于收集荧光材料发出的荧光，对荧光进行分光。光电检测模块，用于将分光后的各波段的荧光转换为电信号，且光电检测模块的最短曝光时间小于荧光材料所处环境的声压信号周期。

优选的，本实施例中，光电检测模块为光电耦合器件，其可感知检测各单色光的光强。具体的，当检测超声换能器的焦域处声压时，由于超声换能器发出的超声波通常为脉冲超声波，故其在超声换能器焦域处聚焦产生的声压也是瞬时的，因此，本实施例中优选在超声换能器输出超声波的同时，控制分光器件精准进行同步触发，并控制光电检测器件在超声波输出周期上进行锁相光谱采集。

S5、处理单元根据荧光检测单元所转换的电信号确定荧光材料当前的发射光谱特征谱线位置，依照预存的荧光材料的发射光谱特征谱线位置与声压对应关系确定荧光材料所处环境的声压。

具体的，本实施例中，处理单元可通过测量荧光材料的发射光谱特征谱线位置或者发射光谱特征谱线位置偏移量来确定荧光材料所处环境的声压。例如，可在在超声波输出后，测量红宝石双R线的发射光谱特征谱线位置。根据常压(0.1MPa)下红宝石双R线(波长694.3nm，692.9nm)的发射光谱特征谱线位置，计算在该超声波输出条件下相对常压环境下，红宝石双R线的发射光谱特征谱线位置偏移量，并按照现有的红宝石的发射光谱特征谱线偏移量与压力的对应关系来获得超声换能器的焦域处声压。

其中，超声波输出前的红宝石双R线(波长694.3nm，692.9nm)的频移波长可以是处理单元预存的，也可在开启超声换能器之前进行采集，在此不做限制。

本实施例提供的动态声压检测方法中，通过将超声换能器和样品容器都置于媒质容器中，利用样品容器将荧光材料固定于超声换能器的焦域处，并使超声换能器所发射的超声波能够在焦域处聚焦形成高声压环境。利用激光源对荧光材料照射激发激光，以激发荧光材料发出荧光，通过检测时间小于声压信号周期的荧光检测单元检测荧光信号，最终通过处理单元计算处理确定超声换能器的焦域处的具体声压。其中，根据所检测声压范围的不同，对应调整荧光材料以及激发激光即可，从而解决了现有技术中对超声波聚焦声压检测的范围有限的问题。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种动态声压检测装置，其特征在于，包括：

荧光材料，其能够在激发激光的照射下发出荧光，所述荧光材料的发射光谱特征谱线位置与其所处环境的声压相关；

激光源，用于向所述荧光材料照射激发激光，以激发所述荧光材料发出荧光；

荧光检测单元，用于将所述荧光材料发出的荧光转换为电信号，且所述荧光检测单元的检测时间小于所述荧光材料所处环境的声压信号周期；

处理单元，根据所述电信号确定所述荧光材料的荧光光谱特征谱线位置，依照预存的所述荧光材料的发射光谱特征谱线位置与声压的对应关系确定所述荧光材料所处环境的声压。

2.根据权利要求1所述的动态声压检测装置，其特征在于，所述荧光检测单元包括：

分光模块，用于收集所述荧光材料发出的荧光，对所述荧光进行分光；

光电检测模块，用于将分光后的各波段的荧光转换为电信号，所述光电检测模块的最短曝光时间小于所述荧光材料所处环境的声压信号周期。

3.根据权利要求2所述的动态声压检测装置，其特征在于，所述光电检测模块为光电耦合器件。

4.根据权利要求1所述的动态声压检测装置，其特征在于，还包括：

媒质容器，用于容纳超声换能器和传声媒质，超声换能器的焦域位于在所述媒质容器内；

固定单元，用于将超声换能器固定于所述媒质容器中。

5.根据权利要求4所述的动态声压检测装置，其特征在于，还包括：

样品容器，其能设于所述媒质容器内超声换能器的焦域处，所述样品容器用于容纳所述荧光材料和传声媒质；

所述样品容器的容器壁包括允许激发激光射入样品容器内的第一透光部、允许荧光射出样品容器外的第二透光部和允许超声波传输的透声部。

6.根据权利要求5所述的动态声压检测装置，其特征在于，

所述样品容器的透声部的材料包括聚四氟乙烯。

7.根据权利要求5所述的动态声压检测装置，其特征在于，

所述样品容器的透声部的厚度范围为0.1mm-0.2mm。

8.根据权利要求5所述的动态声压检测装置，其特征在于，还包括：

移动单元，用于将所述样品容器移动至超声换能器的焦域处。

9.根据权利要求1所述的动态声压检测装置，其特征在于，

所述荧光材料包括红宝石微粉。

10.一种动态声压检测方法，其特征在于，包括：

向位于待测声压位置的荧光材料照射激发激光，以激发所述荧光材料发出荧光，其中，所述荧光材料的发射光谱特征谱线位置与其所处环境的声压相关；

将所述荧光材料发出的荧光转换为电信号；其中，检测时间小于所述荧光材料所处环境的声压信号周期；

根据所述电信号确定所述荧光材料的发射光谱特征谱线位置，依照预存的所述荧光材料的发射光谱特征谱线位置与声压对应关系确定所述荧光材料所处环境的声压。