CN112146747B - 聚焦超声换能器的声功率测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种聚焦超声换能器的声功率测试方法及系统，属于测试技术领域，其可解决现有的大张角聚焦超声换能器的声功率无法测量的问题。本发明的聚焦超声换能器的声功率测试方法，包括：将聚焦超声换能器的发声面划分为多个分区；逐一测试各分区的声功率，其中，在对当前测试分区进行声功率测试时，对多个分区中除当前测试分区以外的其他分区发出的超声波进行遮挡，使声功率测试装置仅对当前测试分区进行声功率的测试；将所有分区的声功率进行线性叠加得到聚焦超声换能器的总声功率。

Description

聚焦超声换能器的声功率测试方法及系统

技术领域

本发明涉及测试技术领域，具体地，涉及一种聚焦超声换能器的声功率测试方法及系统。

背景技术

高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)技术已在医疗、科研、材料处理等领域获得了广泛应用，其利用超声的可聚焦性和穿透性，使超声在特定位置聚焦，并利用焦域处的高能量治疗疾病、激发反应、改变材料性质等。例如，高强度聚焦超声技术在临床上已用于治疗肝癌、乳腺癌、肾癌、骨肿瘤、子宫肌瘤等良恶性肿瘤，其原理是将超声聚焦到人体内的病变处，使焦域的高能量密度机械能转换为热能，使病变组织凝固性坏死(又称超声热消融)；同时，由于声通道上的超声能量密度较低，故可保证病变组织周围和声通道上的正常组织不受影响或受到的影响可接受。

随着聚焦超声的研究趋于深化，为了提高高强度聚焦超声的聚焦精度，有研究人员开始把关注的焦点转向张角更大，非规则球冠型的换能器，甚至有人思考利用张角超过180°乃至完整球台的换能器产生的驻波来提高治疗效率，压缩单点损伤精度，也有类似的产品正在研发过程中。

声功率是评价聚焦超声换能器性能的一项重要测量指标，故对其进行测试对于超声设备的研制以及应用占据着至关重要的地位。目前，换能器声功率测量中广泛运用的测量方法是辐射压力法，其具有测量范围大，适用性广，可重复性强等优点。但是辐射压力法以及很多其它测试方法也具有局限性，就是对测量换能器的张角幅度有限制，张角过大的换能器，无法直接采用辐射压力法准确测量得到声功率值。

因此，大张角非规则球冠型换能器的声功率测量是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明至少部分解决现有的大张角聚焦超声换能器的声功率无法测试的问题，提供了一种针对大张角的聚焦超声换能器的声功率测试方法及系统。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种聚焦超声换能器的声功率测试方法，包括：

将聚焦超声换能器的发声面划分为多个分区；

使聚焦超声换能器发出超声波，并用声功率测试装置逐一测试各所述分区的声功率，其中，在对任意一个所述分区进行声功率测试时，对多个所述分区中除当前测试的所述分区以外的其他所述分区发出的超声波进行遮挡，使所述声功率测试装置仅测试当前测试的所述分区的声功率；

将所有所述分区的声功率进行线性叠加得到所述聚焦超声换能器的声功率。

可选地，所述逐一测试各所述分区的声功率中，任意一个所述分区的声功率的测试方法包括：

确定所述分区发出的超声波的聚焦半角；

确定所述分区发出的超声波的辐射力；

基于所述分区发出的超声波的所述聚焦半角和所述辐射力计算所述分区的声功率。

可选地，所述确定所述分区发出的超声波的聚焦半角，包括：

得到所述分区发出的超声波在预定的空间三轴坐标的第一轴和第二轴所在平面上的声压分布，其中，所述预定的空间三轴坐标的原点为所述超声换能器发出的超声波的焦点，所述第一轴和所述第二轴相互垂直且均穿过所述原点，所述第一轴和所述第二轴均垂直于所述空间三轴坐标的第三轴，所述第三轴为所述焦点指向所述分区的中心的线；

基于所述声压分布，确定所述分区发出的超声波的聚焦半角。

可选地，所述得到所述分区发出的超声波在预定的空间三轴坐标的第一轴和第二轴所在平面上的声压分布，包括：

得到第一轴上的主声束的-3dB和-6dB声束宽度以及第二轴上的主声束的-3dB及-6dB声束宽度，计算第一轴上的主声束的-3dB声束宽度和第二轴上的主声束的-3dB声束宽度的第一平均值，计算第一轴上的主声束的-6dB声束宽度和第二轴上的主声束的-6dB声束宽度的第二平均值；

所述根据所述声压分布，确定所述分区发出的超声波的聚焦半角，包括：

基于有效半径公式，使用所述第一平均值和所述第二平均值计算所述分区发出的超声波的有效半径，其中所述有效半径公式的表达式为：

a＝(0.5F_presλ/π)×[(1.62/W_pb3)+(2.22/W_pb6)]

式中，a为所述有效半径；F_pres为所述分区发出的超声波的焦距；λ为超声波波长；W_pb3为所述第一平均值；W_pb6为所述第二平均值；

基于聚焦半角公式，使用所述有效半径计算所述分区发出的超声波的聚焦半角，其中所述聚焦半角公式的表达式为：

β＝arcsin(a/F_pres)

式中，β为所述聚焦半角。

可选地，所述确定所述分区发出的超声波的辐射力，包括：每个所述分区发出的超声波的辐射力用辐射压力法确定，将吸声靶置于预定位置，采集所述分区发出的超声波在所述吸声靶处的时间平均力；

基于所述时间平均力，得到所述分区发出的超声波的辐射力。

可选地，所述基于所述分区发出的超声波的所述聚焦半角和所述辐射力计算所述分区的声功率，包括：

基于声功率值计算公式，得到所述分区的声功率，其中，所述声功率值计算公式的表达式为：

式中，P为所述分区的声功率，单位为瓦；F为所述分区发出的超声波的辐射力，单位为牛；c为水中声速，单位为米每秒；β为所述分区发出的超声波的聚焦半角，单位为度；α为超声媒介中声衰减系数，单位为奈培每厘米；d为所述分区的发声面的中心距离所述吸声靶的靶面的垂直距离，单位为米。

可选地，所述将聚焦超声换能器的发声面划分为多个分区，包括：

对所述聚焦超声换能器的发声面进行划分，使每个所述分区的发声面的几何尺寸满足辐射压力法测试声功率的测试要求。

可选地，所述聚焦超声换能器为张角不小于145°的非规则球冠型聚焦超声换能器。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种聚焦超声换能器声的声功率测试系统，包括：

声功率测试装置、超声波遮挡物、总声功率计算单元；其中，

所述声功率测试装置用于逐一对聚焦超声换能器的发声面的各个分区进行声功率测试；

在所述声功率测试装置对任意一个所述分区进行声功率测试时，所述超声波遮挡物用于对多个所述分区中除当前测试的所述分区以外的其他所述分区发出的超声波进行遮挡，使所述声功率测试装置仅测试当前测试的所述分区的声功率；

总声功率计算单元，用于将所有所述分区的声功率进行线性叠加得到所述聚焦超声换能器的声功率。

可选地，所述声功率测试装置包括：

聚焦半角确定单元，用于确定所述分区发出的超声波的聚焦半角；

辐射力确定单元，用于确定所述分区发出的超声波的辐射力；

分区声功率计算单元，用于基于所述聚焦半角确定单元输出的聚焦半角和所述辐射力确定单元输出的辐射力计算所述分区的声功率。

可选地，所述聚焦半角确定单元包括：水听器、支撑所述水听器的水听器运动模块、第一计算模块；

所述水听器运动模块，用于带动所述水听器在所述分区发出的超声波的声场中分别沿预定的空间三轴坐标的三个轴方向上扫描，以采集表征所述分区声压分布的电压信号，其中，所述预定的空间三轴坐标的原点为所述聚焦超声换能器发出的超声波的焦点，所述第一轴和所述第二轴相互垂直且均穿过所述原点，所述第一轴和所述第二轴均垂直于所述空间三轴坐标的第三轴，所述第三轴为所述焦点指向所述分区的中心的线；

所述第一计算模块，用于根据所述电压信号得到所述分区发出的超声波在所述预定的空间三轴坐标的第一轴和第二轴所在平面上的声压分布，基于所述声压分布，确定所述分区发出的超声波的聚焦半角。

可选地，所述辐射力确定单元，基于辐射压力法确定每个所述分区发出的超声波的辐射力，包括：吸声靶、支撑所述吸声靶的吸声靶运动模块、与所述吸声靶连接的辐射力天平、第二计算模块；

所述吸声靶运动模块，用于将所述吸声靶运送至预定的位置；

所述辐射力天平，用于输出用于表征所述分区发出的超声波在所述吸声靶处由于冲量转换而存在的单向稳恒的时间平均力的数据；

所述第二计算模块还用于根据所述时间平均力数据计算所述分区发出的超声波的辐射力。

本发明聚焦超声换能器的声功率测试方法及系统，至少有如下优点：

由于测量标准中对辐射压力测声功率法中吸声靶的测量位置及靶的尺寸做了明确要求，因此对于张角超过145°的聚焦超声换能器，无法直接采用辐射压力法进行声功率测量。将聚焦超声换能器的发声面划分多个分区，逐一测试各个分区的声功率，然后，根据所有分区的声功率的线性叠加结果得到聚焦超声换能器的声功率，显然，聚焦超声换能器的每个分区的发声面的几何尺寸(张角、发声面的面积等)小于该聚焦超声换能器的发声面的几何尺寸，使得每个分区的发声面的几何尺寸满足当前的声功率测试方法(例如，辐射压力法)的测试要求，这也就使张角超过145°的聚焦超声换能器的声功率测量变为可能。此外，换能器分区之后，每个分区的发声面尺寸减小，发射声束范围减小，也可以缩小所用吸声靶的尺寸，提高每个分区辐射力测量精度提升了聚焦超声换能器的声功率测试的准确度。且针对小张角聚焦超声换能器声功率测试方法较多，因此，每个分区声功率的测量可以更换为其他满足条件的测量方式，分区测量并线性叠加各个分区声功率结果来计算大张角聚焦超声换能器的方法同样适用，因此，该方法应用灵活多变，适用性强。

附图说明

图1为本发明聚焦超声换能器的声功率测试方法的实施例1的一种流程图；

图2为本发明聚焦超声换能器的声功率测试方法的实施例1的另一种流程图；

图3本发明聚焦超声换能器的声功率测试系统的实施例2的一种结构示意图；

图4本发明聚焦超声换能器的声功率测试系统的实施例2的另一种结构示意图；

其中的附图标记说明：1、消声水槽；2、金属夹具；3、超声波遮挡物；4、水听器；5、聚焦超声换能器；51、换能器驱动单元；6、传力杆；7、吸声靶；8、计算机；81、三维运动控制单元；9、辐射力天平；X、第一轴；Y：第二轴；Z、第三轴。

具体实施方式

为使本领域的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所提供的一种聚焦超声换能器的声功率测试方法及系统作进一步详细描述。

换能器的声功率测量中广泛运用的几种测量方法均不太适用于大张角非规则球冠型聚焦超声换能器(例如张角不小于145°)的声功率测试。例如，辐射压力法，其具有测量范围大，适用性广，可重复性强等优点，但是辐射压力法也具有一定的局限性，就是对测量换能器的张角幅度有限制，张角过大的换能器，由于吸声靶测量位置及吸声靶尺寸要求，无法直接采用辐射压力法准确测量得到声功率值。

再例如，通过激光干涉仪测定聚焦超声换能器辐射声源的振速振幅，来获得换能器的辐射声功率，该方法适用于平面活塞型换能器，其他换能器的适用条件还需研究讨论。

再例如，还有利用积分法将声场中水听器输出的电压值通过数值换算实现声功率的测量，该方法也仅适用于行波换能器，针对大张角甚至是有驻波参与的换能器的声功率测量还有待考证，且计算量较大。

再例如，还有利用量热法获得聚氨酯绝缘水仓中温升实现声功率的测量，但测量系统搭建复杂，且实验条件苛刻，要避免水仓中的热损耗；还有利用压电陶瓷片直接接受超声信号，将超声波作用转换成电信号从而间接获取声功率的方法，该方法同样不适用于张角过大的换能器。

实施例1：

参见图1至2，本实施例提供一种聚焦超声换能器的声功率测试方法，包括：

步骤11、将聚焦超声换能器的发声面划分为多个分区。

该步骤中，聚焦超声换能器的发声面划分方式中，所有分区应当能囊括聚焦超声换能器的发声面，每个分区的发声面的几何尺寸要满足后续步骤中对分区的辐射力确定方法的测试要求，例如，采用辐射压力法确定分区的辐射力，每个分区发出的超声波的声束在吸声靶所在位置上的-26dB超声波波束宽度要小于吸声靶的最小半径。

步骤12、使聚焦超声换能器发出超声波，并用声功率测试装置逐一测试各分区的声功率，其中，在对任意一个分区进行声功率测试时，对多个分区中除当前测试的分区以外的其他分区发出的超声波进行遮挡，使声功率测试装置仅测试当前测试的分区的声功率。

在实际应用中，聚焦超声换能器的发声面一同发出超声波，即所有分区一同发出超声波，如果每一个分区单独激励发出超声波而其他分区不工作，该分区的晶片振动又会对其他分区的内表面及晶片产生影响导致最后线性叠加的声功率并非完整换能器正常工作时的声功率状态，因此，该步骤中，在对任意一个分区进行声功率测试时，整个聚焦超声换能器多个分区中按正常工作状态同时发出超声波，并对其他分区发出的超声波进行遮挡，因此，在不影响整个聚焦超声换能器超声波功率输出的前提下，实现了声功率测试装置仅测试当前测试的分区的声功率，从而保证了测试得到的当前测试分区的声功率的准确度，进而保证了最终得到的聚焦超声换能器的声功率的准确度。

步骤13、将所有分区的声功率进行线性叠加得到聚焦超声换能器的声功率。

该步骤中，对得到的所有分区的声功率进行简单的加法运算即可得到聚焦超声换能器的声功率，运算过程简单、易于实现。

一般情况下，将聚焦超声换能器置于特定的超声媒介中，测试聚焦超声换能器的发声面发出的超声波在超声媒介中传输时的声功率，超声媒介可以为脱气水。

上述方案中，将聚焦超声换能器置于脱气水中，测试聚焦超声换能器的声功率。将聚焦超声换能器的发声面划分多个分区，逐一测试各个分区的声功率，然后，根据所有分区的声功率的线性叠加结果得到聚焦超声换能器的声功率，显然，聚焦超声换能器的每个分区的发声面的几何尺寸小于该聚焦超声换能器的发声面的几何尺寸，每个分区的声束范围也小于该完整聚焦超声换能器的声束范围，因此每个分区能在较小的吸声靶尺寸下，使更多声能量有效作用于吸声靶中心，因此，对于大张角的聚焦超声换能器，若采用相同的声功率测试装置分别对该聚焦超声换能器和该聚焦超声换能器的每个分区进行声功率测试，则分区的声功率的测试结果的准确度高于聚焦超声换能器的声功率的测试结果，故上述方案中记载的声功率测试方法提升了聚焦超声换能器的声功率测试的准确度，且降低了吸声靶尺寸要求，提高测量可实施性。

可选地，上述步骤12可以包括：

步骤121、确定分区发出的超声波的聚焦半角。

该步骤中，分区发出的超声波的聚焦半角实质上是由该分区发出的超声波的声场在焦平面的分布情况确定，表征换能器发射声束的汇聚程度。

步骤122、确定分区发出的超声波的辐射力。

该步骤中，采用辐射力天平测量得到分区发出的超声波的辐射力。

步骤123、基于分区发出的超声波的聚焦半角和辐射力计算分区的声功率。

该步骤中，每个分区利用辐射压力法测量并计算声功率时，计算公式中需要根据每个分区的实际情况确定的变量为聚焦半角(β)与辐射力(F)，然后将得到的每个分区的两个变量带入公式计算出相应分区的声功率。

可选地，步骤121可以包括：

步骤1211、得到分区发出的超声波在预定的空间三轴坐标的第一轴和第二轴所在平面上的声压分布，其中，预定的空间三轴坐标的原点为聚焦超声换能器发出的超声波的焦点，第一轴和第二轴相互垂直且均穿过原点，第一轴和第二轴均垂直于空间三轴坐标的第三轴，第三轴为焦点指向分区的中心的线。

该步骤中，确定空间三轴坐标的原点，即聚焦超声换能器发出的超声波的焦点的具体确定方法可以是：利用水听器在聚焦超声换能器(或者当前测试分区)发出的超声波的声场中扫描，水听器采集表征声压的电压信号，通过分析得到电压信号最大处为聚焦超声换能器发出的超声波的焦点。

接下来，确定焦点与分区的中心之间的连线，也即确定预定的空间三轴坐标的第三轴，第三轴与聚焦超声换能器有效半径之间的夹角即为聚焦半角。

可选地，上述步骤1211可以包括：

得到第一轴上的主声束的-3dB和-6dB声束宽度以及第二轴上的主声束的-3dB及-6dB声束宽度，计算第一轴上的主声束的-3dB声束宽度和第二轴上的主声束的-3dB声束宽度的第一平均值，计算第一轴上的主声束的-6dB声束宽度和第二轴上的主声束的-6dB声束宽度的第二平均值。

经验证得到，第一轴上的主声束的-3dB和-6dB声束宽度以及第二轴上的主声束的-3dB及-6dB声束宽度，能够较为准确的表征分区发出的超声波在预定的空间三轴坐标的第一轴和第二轴所在平面上的声压分布。

步骤1212、基于声压分布，确定分区发出的超声波的聚焦半角。

可选地，上述步骤1212可以包括：

基于有效半径公式，使用第一平均值和第二平均值计算分区发出的超声波的有效半径，其中有效半径公式的表达式为：

a＝(0.5F_presλ/π)×[(1.62/W_pb3)+(2.22/W_pb6)]

式中，a为有效半径；F_pres为分区发出的超声波的焦距；λ为超声波波长；W_pb3为第一平均值；W_pb6为第二平均值。

基于聚焦半角公式，使用有效半径计算分区发出的超声波的聚焦半角，其中聚焦半角公式的表达式为：

式中，β为聚焦半角。

显然，得到的分区发出的超声波在预定的空间三轴坐标的第一轴和第二轴所在平面上的声压分布较为准确，故根据有效半径公式和聚焦半角公式得到的分区的聚焦半角的结果也比较准确。

可选地，每个分区发出的超声波的辐射力用辐射压力法确定，步骤122可以包括：

步骤1221、将吸声靶置于预定位置，采集分区发出的超声波在吸声靶处的时间平均力。

该步骤中，在吸声靶处的由于冲量转换而存在的单向稳恒的时间平均力。预定位置原则上是能够最为准确的确定分区发出的超声波的辐射力的位置，例如，吸声靶的靶面平行于聚焦超声换能器发出的超声波的焦平面，吸声靶的靶面的中心位于第三轴上，且吸声靶的靶面的中心距离分区的发声面的中心0.7F_pres。

步骤1222、基于时间平均力，得到分区发出的超声波的辐射力。

该步骤中，可以通过辐射力天平测量分区发出的超声波在吸声靶处的单向稳恒的时间平均力，该时间平均力表征了分区发出的超声波的辐射力，故可以通过该时间平均力计算得到分区发出的超声波的辐射力。

可选地，步骤123可以包括：

基于声功率值计算公式，得到分区的声功率，其中，声功率值计算公式的表达式为：

式中，P为分区的声功率，单位为瓦；F为分区发出的超声波的辐射力，单位为牛；c为水中声速，单位为米每秒；β为分区发出的超声波的聚焦半角，单位为度；α为超声媒介中声衰减系数，单位为奈培每厘米；d为分区的发声面的中心距离吸声靶的靶面的垂直距离，单位为米。

该步骤中，分区发出的超声波的声功率是采用辐射压力法得到的，当然，分区发出的超声波的声功率也可以采用其他方法得到的，同时，分区发出的超声波的声功率值的测量装置及计算公式也会有所不同。

当然，当上述步骤122中，每个分区发出的超声波的声功率用辐射压力法确定，则上述步骤11包括：对聚焦超声换能器的发声面进行划分，使每个分区的发声面的几何尺寸满足辐射压力法测试声功率的测试要求。

可选地，聚焦超声换能器为张角不小于145°的非规则球冠型聚焦超声换能器。

特别地，将张角不小于145°的非规则球冠型聚焦超声换能器的发声面划分为多个分区，则每个分区的张角小于145°且每个分区的几何尺寸能够满足当前常规的聚焦超声换能器的声功率测试方法的测试要求，故可以通过每个分区的声功率得到聚焦超声换能器的整个发声面的声功率，提升了张角不小于145°的非规则球冠型聚焦超声换能器的声功率测试的准确度。

实施例2：

参见图3至4，本实施例提供一种聚焦超声换能器的声功率测试系统，该系统的运行方法可以参见实施1，该系统包括：

声功率测试装置、超声波遮挡物3(吸声材料)、总声功率计算单元；其中，

声功率测试装置用于逐一对聚焦超声换能器5的发声面的各个分区进行声功率测试；

在声功率测试装置对任意一个分区进行声功率测试时，超声波遮挡物3用于对多个分区中除当前测试的分区以外的其他分区发出的超声波进行遮挡，使声功率测试装置仅测试当前测试的分区的声功率；

总声功率计算单元，用于将所有分区的声功率进行线性叠加得到聚焦超声换能器5的声功率。

上述方案中，在对聚焦超声换能器5进行声功率测试时，将聚焦超声换能器5置于消声水槽1中，消声水槽1中容纳有脱气水，聚焦超声换能器5的发声面包括多个分区(虚拟划分)，原则上，每个分区的尺寸应该满足声功率测试装置的测试要求。声功率测试装置逐一对各个分区进行声功率测试，实质上是相较于一次对聚焦超声换能器5的整个发声面进行声功率测试，减小了声功率测试装置每次测试的发声面的尺寸，也减少了每次测量的声束范围，使得能在较小的吸声靶7尺寸下，使更多声能量有效作用于吸声靶7中心，故采用声功率测试装置对单个分区进行声功率测试得到的声功率的准确度高于采用声功率测试装置对聚焦超声换能器5的整个发声面进行声功率测试得到的声功率的准确度。

接下来，将所有分区的声功率进行线性叠加得到聚焦超声换能器5的声功率，可见，采用上述方案中的声功率测试系统进行聚焦超声换能器5的声功率测试，能够得到准确度较高的测试结果(聚焦超声换能器5的整个发声面的声功率)。

可选地，声功率测试装置包括：

聚焦半角确定单元，用于确定分区发出的超声波的聚焦半角；

辐射力确定单元，用于确定分区发出的超声波的辐射力；

分区声功率计算单元(例如计算机8)，用于基于聚焦半角确定单元输出的聚焦半角和辐射力确定单元输出的辐射力计算分区的声功率。

可选地，聚焦半角确定单元包括：水听器4、支撑水听器4的水听器4运动模块、第一计算模块(例如计算机8)；

水听器4运动模块，用于带动水听器4在分区发出的超声波的声场中分别沿预定的空间三轴坐标的三个轴方向上扫描，以采集表征分区声压分布的电压信号，其中，预定的空间三轴坐标的原点为聚焦超声换能器5发出的超声波的焦点，第一轴和第二轴相互垂直且均穿过原点，第一轴和第二轴均垂直于空间三轴坐标的第三轴，第三轴为焦点指向分区的中心的线；

第一计算模块，用于根据电压信号得到分区发出的超声波在预定的空间三轴坐标的第一轴和第二轴所在平面上的声压分布，基于声压分布，确定分区发出的超声波的聚焦半角。

上述方案中，第一计算模块的运行方法可以参考上述步骤1211和1212。

可选地，辐射力确定单元，基于辐射压力法确定每个分区发出的超声波的辐射力，包括：吸声靶7、支撑吸声靶7的吸声靶7运动模块、与吸声靶7连接的辐射力天平9、第二计算模块(例如计算机8)。

吸声靶7运动模块，用于将吸声靶7运送至预定的位置。

辐射力天平9，用于输出用于表征分区发出的超声波对吸声靶7的时间平均力的数据。

第二计算模块还用于根据时间平均力数据计算分区发出的超声波的辐射力。

原则上，吸声靶7的预定位置与辐射力确定单元的具体结构有关，故基于上述方案中的辐射力确定单元的具体结构，则预定位置可以是：吸声靶7的靶面平行于聚焦超声换能器5发出的超声波的焦平面，吸声靶7的靶面的中心位于第三轴上，且吸声靶7的靶面的中心距离分区的发生面的中心0.7F_pres。

上述方案中，第二计算模块的运行方法可以参考上述步骤122，接下来，辐射力确定单元的运行方式可以参考上述步骤123。

特别地，上述方案中的辐射力确定单元不具备定位聚焦超声换能器5发出的超声波的焦点的功能，故在实际应用中为了能够准确定位吸声靶7的预定位置，参见图3、4，可以采用如下方案：水听器4和吸声靶7安装在同一运动装置上，且该运运动装置通过同一三维运动控制单元81(即水听器4运动模块和吸声靶7运动模块合二为一)，水听器4通过金属夹具2安装在该运动装置上，吸声靶7通过传力杆6连接安装在该运动装置上的辐射力天平9。在水听器4定位聚焦超声换能器5的声场的焦点之前设置水听器4和吸声靶7之间有一个相对位置关系，例如，水听器4的端面和吸声靶7的靶面位于同一平面，水听器4的端部与吸声靶7中心连线与第一轴平行，且两者在第一轴上的间距为L。然后，在水听器4运动查找聚焦超声换能器5的声场的焦点过程中，吸声靶7跟随水听器4一起运动，且水听器4和吸声靶7之间的相对位置关系不变，水听器4确定焦点位置之后，沿第一轴负方向运动L，则吸声靶中心位于聚焦超声换能器5的焦点处。

特别说明，进行分区发出的超声波的辐射力测量时，换能器驱动单元51以一定电功率激励聚焦超声换能器5，分区发出的超声波的辐射力作用于吸声靶7通过传力杆6传递至辐射力天平9上，吸声靶7按照图3、4中的方式连接辐射力天平9会由于力矩的存在而引入误差，但可以通过标准砝码校准的方式来减少这一误差的影响。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种聚焦超声换能器的声功率测试方法，其特征在于，包括：

将聚焦超声换能器的发声面划分为多个分区；

使聚焦超声换能器发出超声波，并用声功率测试装置逐一测试各所述分区的声功率；所述逐一测试各所述分区的声功率中，任意一个所述分区的声功率的测试方法包括：确定所述分区发出的超声波的聚焦半角；确定所述分区发出的超声波的辐射力；基于所述分区发出的超声波的所述聚焦半角和所述辐射力计算所述分区的声功率；其中，在对任意一个所述分区进行声功率测试时，对多个所述分区中除当前测试的所述分区以外的其他所述分区发出的超声波进行遮挡，使所述声功率测试装置仅测试当前测试的所述分区的声功率；

将所有所述分区的声功率进行线性叠加得到所述聚焦超声换能器的声功率。

2.根据权利要求1所述的聚焦超声换能器的声功率测试方法，其特征在于，所述确定所述分区发出的超声波的聚焦半角，包括：

得到所述分区发出的超声波在预定的空间三轴坐标的第一轴和第二轴所在平面上的声压分布，其中，所述预定的空间三轴坐标的原点为所述聚焦超声换能器发出的超声波的焦点，所述第一轴和所述第二轴相互垂直且均穿过所述原点，所述第一轴和所述第二轴均垂直于所述空间三轴坐标的第三轴，所述第三轴为所述焦点指向所述分区的中心的线；

基于所述声压分布，确定所述分区发出的超声波的聚焦半角。

3.根据权利要求2所述的超声换能器的声功率测试方法，其特征在于，所述得到所述分区发出的超声波在预定的空间三轴坐标的第一轴和第二轴所在平面上的声压分布，包括：

得到第一轴上的主声束的-3dB和-6dB声束宽度以及第二轴上的主声束的-3dB及-6dB声束宽度，计算第一轴上的主声束的-3dB声束宽度和第二轴上的主声束的-3dB声束宽度的第一平均值，计算第一轴上的主声束的-6dB声束宽度和第二轴上的主声束的-6dB声束宽度的第二平均值；

所述根据所述声压分布，确定所述分区发出的超声波的聚焦半角，包括：

基于有效半径公式，使用所述第一平均值和所述第二平均值计算所述分区发出的超声波的有效半径，其中所述有效半径公式的表达式为：

a＝(0.5F_presλ/π)×[(1.62/W_pb3)+(2.22/W_pb6)]

式中，a为所述有效半径；F_pres为所述分区发出的超声波的焦距；λ为超声波波长；W_pb3为所述第一平均值；W_pb6为所述第二平均值；

基于聚焦半角公式，使用所述有效半径计算所述分区发出的超声波的聚焦半角，其中所述聚焦半角公式的表达式为：

β＝arcsin(a/F_pres)

式中，β为所述聚焦半角。

4.根据权利要求1所述的聚焦超声换能器的声功率测试方法，其特征在于，所述确定所述分区发出的超声波的辐射力，包括：

每个所述分区发出的超声波的辐射力用辐射压力法确定，将吸声靶置于预定位置，采集所述分区发出的超声波在所述吸声靶处的时间平均力；

基于所述时间平均力，得到所述分区发出的超声波的辐射力。

5.根据权利要求4所述的聚焦超声换能器的声功率测试方法，其特征在于，所述基于所述分区发出的超声波的所述聚焦半角和所述辐射力计算所述分区的声功率，包括：

基于声功率值计算公式，得到所述分区的声功率，其中，所述声功率值计算公式的表达式为：

式中，P为所述分区的声功率，单位为瓦；F为所述分区发出的超声波的辐射力，单位为牛；c为测试所用的超声媒介中的声速，单位为米每秒；β为所述分区发出的超声波的聚焦半角，单位为度；α为超声媒介中声衰减系数，单位为奈培每厘米；d为所述分区的发声面的中心距离所述吸声靶的靶面的垂直距离，单位为米。

6.根据权利要求4所述的聚焦超声换能器的声功率测试方法，其特征在于，所述将聚焦超声换能器的发声面划分为多个分区，包括：

对所述聚焦超声换能器的发声面进行划分，使每个所述分区的发声面的几何尺寸满足辐射压力法测试声功率的测试要求。

7.根据权利要求1至6任一所述的聚焦超声换能器的声功率测试方法，其特征在于，所述聚焦超声换能器为张角不小于145°的非规则球冠型聚焦超声换能器。

8.一种聚焦超声换能器的声功率测试系统，其特征在于，包括：

声功率测试装置、超声波遮挡物、总声功率计算单元；其中，

所述声功率测试装置用于逐一对聚焦超声换能器的发声面的各个分区进行声功率测试；所述声功率测试装置包括：

聚焦半角确定单元，用于确定所述分区发出的超声波的聚焦半角；

辐射力确定单元，用于确定所述分区发出的超声波的辐射力；

分区声功率计算单元，用于基于所述聚焦半角确定单元输出的聚焦半角和所述辐射力确定单元输出的辐射力计算所述分区的声功率；

在所述声功率测试装置对任意一个所述分区进行声功率测试时，所述超声波遮挡物用于对多个所述分区中除当前测试的所述分区以外的其他所述分区发出的超声波进行遮挡，使所述声功率测试装置仅测试当前测试的所述分区的声功率；

总声功率计算单元，用于将所有所述分区的声功率进行线性叠加得到所述聚焦超声换能器的声功率。

9.根据权利要求8所述的聚焦超声换能器的声功率测试系统，其特征在于，所述聚焦半角确定单元包括：水听器、支撑所述水听器的水听器运动模块、第一计算模块；

所述水听器运动模块，用于带动所述水听器在所述分区发出的超声波的声场中分别沿预定的空间三轴坐标的三个轴方向上扫描，以采集表征所述分区声压分布的电压信号，其中，所述预定的空间三轴坐标的原点为所述聚焦超声换能器发出的超声波的焦点，第一轴和第二轴相互垂直且均穿过所述原点，所述第一轴和所述第二轴均垂直于所述空间三轴坐标的第三轴，所述第三轴为所述焦点指向所述分区的中心的线；

所述第一计算模块，用于根据所述电压信号得到所述分区发出的超声波在所述预定的空间三轴坐标的第一轴和第二轴所在平面上的声压分布，基于所述声压分布，确定所述分区发出的超声波的聚焦半角。

10.根据权利要求8所述的聚焦超声换能器的声功率测试系统，其特征在于，所述辐射力确定单元，基于辐射压力法确定每个所述分区发出的超声波的辐射力，包括：吸声靶、支撑所述吸声靶的吸声靶运动模块、与所述吸声靶连接的辐射力天平、第二计算模块；

所述吸声靶运动模块，用于将所述吸声靶运送至预定的位置；

所述辐射力天平，用于输出用于表征所述分区发出的超声波在所述吸声靶处的时间平均力；

所述第二计算模块还用于根据所述时间平均力数据计算所述分区发出的超声波的辐射力。

Images