CN113731942A - 相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置及控制方法，所述超声装置包括控制发射的超声主机和超声换能器阵列，超声换能器阵列用于电‑声信号转换，并可依据不同的信号相位发射不同偏转角度的声束，超声主机用于驱动超声换能器阵列完成疏通超声的发射；所述控制方法为根据设置偏转角计算动态孔径大小，进而实现相控偏转聚焦，可增强栓塞物上方形成的流场以及流动导致的剪切力对栓塞物的溶解作用，以达到稳定、良好的去除管道内栓塞物效果。

Description

相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置及控制方法
技术领域
本发明涉及一种相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置及控制方法，属于工业超声设备技术领域。
背景技术
超声波是一种振动频率超过20000Hz的机械振动，它的方向性好、声能集中，一般由超声换能器产生，可在固体、液体、气体中传播。超声波在工业、医疗等领域具有广泛的应用前景，如超声焊接、超声成像等。将多个独立的换能器组成阵列可以构成超声相控阵，按一定规则的幅度和时序激发各个晶片单元，可以实现超声聚焦，并改变焦点位置和聚焦方向。
管道是常见的液体输送装置，其内部应为光滑的表面，不会阻碍液体的流动。但实际场景中，因为制造工艺不佳、异物入侵等原因可能导致管道内异物积累而形成栓塞体。随着时间推移，小栓塞最终可能在管道的横截面区域中占据相当大的部分，从而降低管道内流体的流速，导致财产损失和其他严重后果。
传统的管道堵塞检测方法有振动分析、瞬变流法等，疏通方法有人工清理、机器人清理、疏通剂清理等，但这些方法费时费力或存在环境污染的风险。近年来，超声技术在管道栓塞的检测和清理方面得到了广泛的应用。但目前超声去除管道内栓塞物的相关方法仍存在一些不足：第一，疏通超声多为单探头，难以满足不同情况下所需的声束偏转需求；第二，超声波垂直作用于管道内栓塞物，破碎效率低。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提出了一种相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置及控制方法。
本发明采取的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置，其包括超声主机和超声换能器阵列，所述超声换能器阵列用于将电信号转化为声信号，并依据所需要的偏转角和发射孔径，发射不同的超声场，所述超声主机用于控制去除管道内栓塞物所需的发射，并且实现相控角调整，进而实现管道内栓塞物的去除。
进一步的，所述超声主机包括超声发射电路和FPGA，所述FPGA和超声发射电路相连接，并与PC通过通信接口连接；所述超声发射电路与超声换能器阵列连接，在FPGA的控制下驱动超声换能器阵元发射超声波。
进一步的，所述FPGA用于负责与PC通信、控制超声发射；所述超声发射电路根据FPGA的控制指令，发射指定相位的超声信号。
进一步的，所述超声发射电路由多个并行的发射单元构成，每个发射单元驱动一个通道的换能器，用于满足去除管道内栓塞物时对较大功率发射的需要。
进一步的，所述超声换能器阵列呈线形形式，共N个阵元，每个阵元宽度为L，相邻阵元之间间隔为dL，发射时通过驱动信号相位的不同实现声束偏转。
另一方面，本发明还提供了一种相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置的控制方法，首先根据测得的数据设置超声装置的超声发射参数，接着系统自动设置偏转角并计算对应的发射孔径，然后系统自动发射偏转聚焦超声进行疏通，最后经过设定的疏通时间后完成疏通。
进一步的，首先设置声束偏转角，然后超声主机产生控制信号并驱动超声换能器阵列发射所需的超声波，其中超声波的发射包括相控聚焦和相控偏转。
进一步的，先利用成像设备定位管道的栓塞区域并获得相关数据，然后操作者根据测得的数据设置发射参数。
进一步的，在上述成像设备获得的图像上，规定水平向右为x轴正方向，垂直向上为y轴正方向；然后计算栓塞物顶部因超声发射而产生的流动导致的剪切力，并得到剪切力取得最大值时的声束偏转角|θ|，取声束垂直于x轴入射的情况为0°；剪切力|F|的计算公式为：
Figure BDA0003254047130000021
其中ρ0为流体的密度，ω为超声角频率，ux和uy分别为流体质点在超声和栓塞物共同影响下产生的x和y方向的位移，|F|表示复数量F的幅值，
Figure BDA0003254047130000022
表示括号内部多项式的实部，
Figure BDA0003254047130000023
和
Figure BDA0003254047130000024
分别表示ux和uy的共轭，ux和uy由超声参数、流体参数和栓塞物参数共同决定，并与超声声束入射角有关，由于计算过程繁杂不具体展开。
进一步的，根据不同的设置偏转角，开启不同的阵元个数，设置偏转角θ绝对值越大，开启阵元数量越少，以换能器阵元产生的声压下降到最大值的一半，即-6dB处的角度为准，若换能器阵元中心点与焦点之间的连线与换能器法线方向的夹角小于-6dB半开角，则该阵元开启，半开角α的计算公式为：
Figure BDA0003254047130000025
其中λ为传播介质中的声波波长，L为换能器阵元的宽度。
本发明的原理及效果如下：
本发明通过调整超声入射角，以增大栓塞物上方流体的切向流速，获得对栓塞物表面的较大剪切力，从而优化超声去除管道内栓塞物的效果。
超声波属于机械波，处于声场作用下的流体会受到超声波的作用从而被推动。在狭窄腔道环境如被栓塞物阻塞的管道中，若超声垂直入射，被推动的流体碰到障碍后自然向两边流动，从而在栓塞物表面流过的横向流体产生剪切力，温和地促使栓塞物剥落溶解，以达到去除管道内栓塞物的效果，但这样去除管道内栓塞物的速度慢。若超声并非垂直入射，而是与栓塞物法向形成一夹角，则超声作用中还加入了对栓塞物切向的辐射力，在某些角度下会导致更大的切向流体流速和更大的剪切力，从而增强去除管道内栓塞物效果。根据理论结果，存在一个最优偏转角，使得横向流体流速和剪切力达到最大，本发明即是利用这一结论优化超声去除管道内栓塞物的效果。
由于换能器阵列的每个阵元都有一定的宽度，在声波发射时存在不同角度上声场强度不同的固有特性。在换能器阵列进行聚焦发射，尤其是焦点处偏转角较大的时候，阵列边缘的某些阵元所发射的声束对形成良好的焦点并没有帮助，甚至会破坏主瓣外的声场分布，所以需要根据焦点的位置控制阵元的发射状态，只打开一部分阵元进行发射，即为变孔径控制方式。
其次，本发明采用动态孔径的方法进行超声聚焦，根据具体的设置偏转角开启不同个数的阵元。在疏通区域，动态孔径技术可以使声场的波束形状保持较好的形态。
附图说明
图1是超声动态孔径偏转聚焦去除管道内栓塞物的原理示意图。
图2是超声动态孔径偏转聚焦去除管道内栓塞物的装置框图。
图3是超声动态孔径偏转聚焦去除管道内栓塞物的流程图。
图4是超声导致声流在栓塞物上产生的剪切力随声束偏转角变化的示意图。
图5是超声疏通时的流体流动情况示意图，其中(a)(c)分别为无偏转和按一定偏转角偏转时的流体流场，(b)(d)则显示了两种情况下栓塞物上方流体的流速。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
图1以探头与需要疏通管道初始角度为0°为例说明，超声换能器阵列紧贴管道包裹物边界表面，中间涂有耦合剂，由超声主机驱动。换能器阵列为线阵，共N个阵元，每个阵元宽度为L，相邻阵元之间间隔为dL，换能器阵列可以通过调整相位实现声束偏转。使用时，根据其他影像设备观察到的图像和测量到的数据，设置聚焦焦距和声束偏转角，从而达到更优的去除埋地管道内栓塞物效果。
如图2所示，本发明包括超声主机和超声换能器阵列。超声主机包括：超声发射电路1、FPGA2。FPGA2和超声发射电路1相连接，并与PC通过通信接口连接；超声发射电路1内置多个发射电路单元；超声发射电路1与超声换能器阵列连接，以选通不同的超声换能器阵元。其中FPGA2为超声电路的主控元器件，负责与PC通信、控制超声发射；超声发射电路1根据FPGA2的控制指令，发射指定波形、幅度、相位的超声信号；
如图3，超声动态孔径偏转聚焦去除管道内栓塞物的流程为，首先利用其他成像设备观察栓塞管道并获得相关数据。随后使用超声装置，操作者根据测得的数据设置参数，系统自动根据设置偏转角计算对应的发射孔径。系统自动发射偏转聚焦超声进行疏通，最后经过设定的疏通时间后完成疏通。
如图4，当设定流体(水)、栓塞物的平均参数后，取超声频率为2.5MHz，焦点处声压约为40kPa，可以得到去除管道内栓塞物主要驱动即剪切力的绝对值随着超声入射角的变化关系。总体而言，剪切力随着入射角的增大呈先增大后减小的趋势，当入射角等于23°时，剪切力达到最大值，因此在实例中取设置偏转角|θ|＝23°。
根据不同的设置偏转角，开启不同的阵元个数，偏转角θ绝对值越大，开启阵元数量越少。以换能器阵元产生的声压下降到最大值的一半，即-6dB处的角度为准，若换能器阵元中心点与焦点之间的连线与换能器法线方向的夹角小于-6dB半开角，则该阵元开启，半开角α的计算公式为：
Figure BDA0003254047130000041
其中λ为传播介质中的声波波长，L为换能器阵元的宽度。在实例情况下，半开角α＝45°。若阵元数N＝32，阵元宽度L＝0.36mm，相邻阵元之间间隔dL＝0.04mm，计算得到，在偏转角为+23°时，序号为24～32的阵元不进行发射。
如图5，(a)(c)分别展示了无偏转和按设置偏转角偏转时，超声焦点附近栓塞物上方的流体流场。图中，颜色越深表示流体流速越大，箭头则展示了流体流向。可见，无偏转时虽然能在超声波路径上造成较大流速的流动，但该流动在到达栓塞物上方，即图像最下端界面时被削弱；而超声按设置声束偏转角偏转时能在栓塞物上方导致较大流速的流动。图5(b)(d)计算出了流场对应区域栓塞物上方的流体流速，y轴坐标线性且保持一致。在实例所用参数情况下，若疏通超声按设置声束偏转角偏转，栓塞物上方的流体流速约为无偏转时的4倍。
以上内容显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置，其特征在于，包括超声主机和超声换能器阵列，所述超声换能器阵列用于将电信号转化为声信号，并依据所需要的偏转角和发射孔径，发射不同的超声场，所述超声主机用于控制去除管道内栓塞物所需的发射，并且实现相控角调整，进而实现管道内栓塞物的去除。
2.根据权利要求1所述的相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置，其特征在于，所述超声主机包括超声发射电路和FPGA，所述FPGA和超声发射电路相连接，并与PC通过通信接口连接；所述超声发射电路与超声换能器阵列连接，在FPGA的控制下驱动超声换能器阵元发射超声波。
3.根据权利要求2所述的相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置，其特征在于，所述FPGA用于负责与PC通信、控制超声发射；所述超声发射电路根据FPGA的控制指令，发射指定相位的超声信号。
4.根据权利要求2或3所述的相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置，其特征在于，所述超声发射电路由多个并行的发射单元构成，每个发射单元驱动一个通道的换能器，用于满足去除管道内栓塞物时对较大功率发射的需要。
5.根据权利要求1所述的相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置，其特征在于，所述超声换能器阵列呈线形形式，共N个阵元，每个阵元宽度为L，相邻阵元之间间隔为dL，发射时通过驱动信号相位的不同实现声束偏转。
6.一种相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置的控制方法，其特征在于，首先根据测得的数据设置超声装置的超声发射参数，接着系统自动设置偏转角并计算对应的发射孔径，然后系统自动发射偏转聚焦超声进行疏通，最后经过设定的疏通时间后完成疏通。
7.根据权利要求6所述的相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置的控制方法，其特征在于，首先设置声束偏转角，然后超声主机产生控制信号并驱动超声换能器阵列发射所需的超声波，其中超声波的发射包括相控聚焦和相控偏转。
8.根据权利要求6所述的相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置的控制方法，其特征在于，先利用成像设备定位管道的栓塞区域并获得相关数据，然后操作者根据测得的数据设置发射参数。
9.根据权利要求8所述的相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置的控制方法，其特征在于，在成像设备获得的图像上，规定水平向右为x轴正方向，垂直向上为y轴正方向；然后计算栓塞物顶部因超声发射而产生的流动导致的剪切力，并得到剪切力取得最大值时的声束偏转角|θ|，取声束垂直于x轴入射的情况为0°；剪切力|F|的计算公式为：
Figure FDA0003254047120000021
其中ρ0为流体的密度，ω为超声角频率，ux和uy分别为流体质点在超声和栓塞物共同影响下产生的x和y方向的位移，|F|表示复数量F的幅值，
Figure FDA0003254047120000022
表示括号内部多项式的实部，
Figure FDA0003254047120000023
和
Figure FDA0003254047120000024
分别表示ux和uy的共轭，ux和uy由超声参数、流体参数和栓塞物参数共同决定，并与超声声束入射角有关，由于计算过程繁杂不具体展开。
10.根据权利要求6所述的相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置的控制方法，其特征在于，根据不同的设置偏转角，开启不同的阵元个数，设置偏转角θ绝对值越大，开启阵元数量越少，以换能器阵元产生的声压下降到最大值的一半，即-6dB处的角度为准，若换能器阵元中心点与焦点之间的连线与换能器法线方向的夹角小于-6dB半开角，则该阵元开启，半开角α的计算公式为：
Figure FDA0003254047120000025
其中λ为传播介质中的声波波长，L为换能器阵元的宽度。
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