RU2814447C1 - Ultrasonic radiation power meter - Google Patents
Ultrasonic radiation power meter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2814447C1 RU2814447C1 RU2023135580A RU2023135580A RU2814447C1 RU 2814447 C1 RU2814447 C1 RU 2814447C1 RU 2023135580 A RU2023135580 A RU 2023135580A RU 2023135580 A RU2023135580 A RU 2023135580A RU 2814447 C1 RU2814447 C1 RU 2814447C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- target
- ultrasonic radiation
- radiation power
- power meter
- absorbing
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 23
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 24
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract 2
- 229920005830 Polyurethane Foam Polymers 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000011496 polyurethane foam Substances 0.000 claims description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 2
- 238000005303 weighing Methods 0.000 claims 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 abstract description 4
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 abstract 1
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 229920005372 Plexiglas® Polymers 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000000191 radiation effect Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 238000011179 visual inspection Methods 0.000 description 2
- 235000006506 Brasenia schreberi Nutrition 0.000 description 1
- VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N Methyl methacrylate Chemical compound COC(=O)C(C)=C VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000003562 lightweight material Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 1
- 239000005368 silicate glass Substances 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 230000001225 therapeutic effect Effects 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к технической акустике и может быть использовано для измерения мощности ультразвукового излучения, падающего на поглощающую мишень в виде коллимированного, сфокусированного или немного расходящегося пучка ультразвуковой энергии в воде, генерируемого излучателями (датчиками) медицинского ультразвукового оборудования.The invention relates to technical acoustics and can be used to measure the power of ultrasonic radiation incident on an absorbing target in the form of a collimated, focused or slightly divergent beam of ultrasonic energy in water, generated by emitters (sensors) of medical ultrasonic equipment.
Известны приборы для измерения мощности ультразвука (УЗ) в воде (ультразвуковые ваттметры, ультразвуковые радиометры, измерители мощности ультразвука в воде и пр.), в основу работы которых положен метод гравитационного уравновешивания радиационного воздействия ультразвуковой волны, падающей вертикально сверху или снизу на находящуюся в воде мишень (отражающего или поглощающего типа). Радиационное воздействие (сила F) ультразвуковой волны связано с ее мощностью Р простым соотношением:There are known instruments for measuring the power of ultrasound (US) in water (ultrasonic wattmeters, ultrasonic radiometers, ultrasonic power meters in water, etc.), the basis of which is the method of gravitational balancing of the radiation effect of an ultrasonic wave falling vertically from above or below onto one in the water target (reflective or absorbing type). The radiation effect (force F) of an ultrasonic wave is related to its power P by a simple relationship:
для идеальной поглощающей мишени for an ideal absorbing target
или для идеальной отражающей мишени or for an ideal reflective target
где с - скорость звука в среде распространения (в воде);where c is the speed of sound in the propagation medium (in water);
- угол между направлением распространения УЗ волны и нормалью к отражающей поверхности. - the angle between the direction of propagation of the ultrasonic wave and the normal to the reflecting surface.
Для регистрации радиационное воздействие (силы F) в большинстве современных измерителей применяются электронные весы.To record radiation exposure (force F), most modern meters use electronic scales.
В стандарте Международной Электротехнической Комиссии (МЭК) IEC 61161:2013 [1] и в гармонизированным с ним национальном стандарте ГОСТ Р МЭК 61161-2019 [2] в приложении F приведены 9 вариантов построения измерителей мощности ультразвукового излучения. Рассматриваемое изобретение можно отнести к компоновке В с поглощающей мишенью Фиг. 1.The International Electrotechnical Commission (IEC) standard IEC 61161:2013 [1] and the national standard GOST R IEC 61161-2019 [2] harmonized with it in Appendix F provide 9 options for constructing ultrasonic radiation power meters. The invention in question can be attributed to arrangement B with the absorbing target of FIG. 1.
Приведенная в ГОСТ Р МЭК 61161-2019 компоновка обладает следующими недостатками:The layout given in GOST R IEC 61161-2019 has the following disadvantages:
1) Непрозрачный бак для воды значительно усложняет контроль области измерений. В процессе установки преобразователя и при его работе на его активной поверхности могут появляться пузыри воздуха, оказывающие существенное влияние на результат измерений мощности ультразвука.1) An opaque water tank makes it much more difficult to control the measurement area. During installation of the transducer and during its operation, air bubbles may appear on its active surface, which have a significant impact on the result of ultrasonic power measurements.
Непрозрачный бак для воды значительно усложняет юстировку излучателя над мишенью.The opaque water tank significantly complicates the alignment of the emitter over the target.
Крепление мишени к балке, передающей силу на весы, осуществляется с помощью гибкого крепежа - лески или тонкой проволоки. Такой способ крепления ведет к проблемам при эксплуатации. При измерениях мишень, подвешенная за 2 точки опоры в результате воздействия неравномерного акустического поля, может опрокидываться. Кроме того, поглощающая мишень может иметь положительную плавучесть, что приведет к ее всплытию на поверхность в измерительном баке.The target is attached to the beam, which transmits force to the scales, using flexible fasteners - fishing line or thin wire. This method of fastening leads to problems during operation. During measurements, a target suspended by 2 support points may tip over as a result of exposure to an uneven acoustic field. In addition, the absorbing target may have positive buoyancy, which will cause it to float to the surface in the measuring tank.
Незакрепленный на измерителе держатель преобразователя требует большего пространства на месте эксплуатации измерителя и должен иметь собственную устойчивую опору, что ведет к усложнению производства.A transducer holder that is not attached to the meter requires more space at the meter's operating site and must have its own stable support, which leads to increased manufacturing complexity.
Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является возможность построения измерителя мощности, обладающего лучшими показателями точности измерений, лучшей эргономикой при эксплуатации и меньшей стоимостью. Внешний вид измерителя представлен на фигуре 2, где 1 - измерительный бак, 2 - поглощающая мишень, 3 - коромысло мишени, 4 - измеритель массы (электронные весы), 5 - металлический корпус, 6 - стойки коромысла мишени.The technical result obtained from the implementation of the invention is the possibility of constructing a power meter with better measurement accuracy, better ergonomics during operation and lower cost. The appearance of the meter is shown in figure 2, where 1 is a measuring tank, 2 is an absorbing target, 3 is a target rocker arm, 4 is a mass meter (electronic scales), 5 is a metal case, 6 is a target rocker arm strut.
Так в рассматриваемом измерителе измерительный бак 1 выполнен из прозрачного органического стекла, что позволяет производить визуальный контроль поверхности излучателя и мишени в подводном пространстве на наличие пузырей воздуха, что позволяет своевременно их удалить, повышая достоверность измерений. В [1] [2] и [3] сказано, что, выделяющиеся пузырьки воздуха на поверхности излучателя или мишени, приводят к существенному изменению результатов измерения мощности ультразвука, а своевременное их удаление снижает погрешность измерений. Применение в качестве материала измерительного бака прозрачного оргстекла позволяет снизить погрешности измерений мощности, возникающие при отражении боковых лепестков преобразователя от стенок бака. Оргстекло обладает значительно большим коэффициентом поглощения ультразвука, чем, например, силикатное стекло, ввиду своей низкой плотности и меньшей твердости. Также прозрачный бак значительно упрощает юстировку ультразвукового преобразователя строго над мишенью и позволяет обеспечить их соосность, что повышает достоверность измерений.Thus, in the meter under consideration, the measuring tank 1 is made of transparent organic glass, which allows visual inspection of the surface of the emitter and the target in the underwater space for the presence of air bubbles, which allows them to be removed in a timely manner, increasing the reliability of measurements. In [1] [2] and [3] it is said that released air bubbles on the surface of the emitter or target lead to a significant change in the results of measuring ultrasonic power, and their timely removal reduces the measurement error. The use of transparent plexiglass as a material for the measuring tank makes it possible to reduce power measurement errors that arise when the side lobes of the transducer are reflected from the walls of the tank. Plexiglas has a significantly higher absorption coefficient of ultrasound than, for example, silicate glass, due to its low density and lower hardness. Also, the transparent tank greatly simplifies the alignment of the ultrasonic transducer strictly above the target and makes it possible to ensure their alignment, which increases the reliability of measurements.
Если преобразователь круглый (что характерно для большинства ультразвуковых преобразователей), то идеальной является такая его установка над круглой мишенью, когда оси преобразователя и мишени совпадают. Поперечное смещение преобразователя относительно поглощающей мишени (т.е. оси остаются параллельными), радиус которой больше радиуса преобразователя настолько, что никакая значимая часть ультразвукового пучка не выходит за границы мишени, не сказывается на результатах измерений радиационной силы. Наклон преобразователя относительно мишени уменьшает проекцию радиационной силы пропорционально косинусу углу α между осями, что для реально достижимых α≤5° при визуальном контроле, уменьшает радиационную силу всего на 0,4%.If the transducer is round (which is typical for most ultrasonic transducers), then the ideal installation is above a round target, when the axes of the transducer and the target coincide. The transverse displacement of the transducer relative to the absorbing target (i.e., the axes remain parallel), the radius of which is greater than the radius of the transducer so much that no significant part of the ultrasonic beam extends beyond the boundaries of the target, does not affect the results of radiation force measurements. The tilt of the transducer relative to the target reduces the projection of the radiation force in proportion to the cosine of the angle α between the axes, which for actually achievable α≤5° with visual inspection reduces the radiation force by only 0.4%.
Поглощающая мишень 2 закреплена на коромысле 3 из нержавеющей стали, которое предотвращает опрокидывание мишени при падении на нее неравномерного акустического потока и делает неважным показатель плавучести мишени. Жесткое коромысло мишени обеспечивает более точную передачу добавочной радиационной силы ультразвука на чувствительный элемент измерителя массы за счет отсутствия деформации при измерениях. Если связь мишени с весами осуществляется с помощью подвеса на гибкой леске или проволоке, то необходимо обеспечить отрицательную плавучесть мишени, иначе измерения мощности будут некорректны. Даже мишень с отрицательной плавучестью может всплыть в процессе измерений, так как ультразвуковое воздействие приводит к ее нагреву и тепловому расширению. Коромысло в рассматриваемом измерителе изготавливается виде жесткой штанги, обеспечивающей передачу добавочной радиационной силы ультразвукового пучка на чашу весов. При этом поглощающая мишень приклеена к коромыслу, что исключает возможность опрокидывания или всплытия мишени. Поглощающая мишень измерителя, изготавливаемая из химически стойкого вспененного полиуретана, выполнена, с одной стороны, в виде поверхности, состоящей из пирамидоидальных выступов высотой 4-5 мм с углом наклона между боковыми поверхностями пирамидок 60°±2°. Такая форма поверхности мишени значительно снижает уровень отраженной от нее ультразвуковой мощности, улучшая ее поглощающие свойства.The absorbing target 2 is mounted on a stainless steel rocker arm 3, which prevents the target from tipping over when an uneven acoustic flow falls on it and makes the target's buoyancy indicator unimportant. The rigid target beam ensures a more accurate transfer of the additional radiation force of ultrasound to the sensitive element of the mass meter due to the absence of deformation during measurements. If the connection of the target with the scales is carried out using a suspension on a flexible fishing line or wire, then it is necessary to ensure negative buoyancy of the target, otherwise the power measurements will be incorrect. Even a target with negative buoyancy can float up during the measurement process, since ultrasonic exposure leads to its heating and thermal expansion. The rocker arm in the meter under consideration is made in the form of a rigid rod, which ensures the transfer of the additional radiation force of the ultrasonic beam to the scale pan. In this case, the absorbing target is glued to the rocker arm, which eliminates the possibility of the target overturning or floating up. The absorbing target of the meter, made of chemically resistant polyurethane foam, is made, on one side, in the form of a surface consisting of pyramidal protrusions 4-5 mm high with an angle of inclination between the side surfaces of the pyramids of 60° ± 2°. This shape of the target surface significantly reduces the level of ultrasonic power reflected from it, improving its absorption properties.
Измеритель массы 4 запрессованы в металлический корпус 5 измерителя, что позволяет обеспечить надежное крепление измерителя массы и корпуса без применения крепежных изделий, таких как болты или саморезы. Такое крепление позволяет не нарушать гарантийных условий производителя измерителя массы при изготовлении измерителя мощности и приводит к удешевлению его обслуживания в целом. Измеритель массы при таком креплении к корпусу может быть заменен на измеритель массы с большим или меньшим НПВ при необходимости без нарушения целостности самих весов.The mass meter 4 is pressed into the metal body 5 of the meter, which allows for reliable fastening of the mass meter and the body without the use of fasteners such as bolts or screws. Such fastening allows not to violate the warranty conditions of the manufacturer of the mass meter during the manufacture of the power meter and leads to a reduction in the cost of its maintenance in general. A mass meter with such attachment to the body can be replaced with a mass meter with a larger or smaller LEL, if necessary, without compromising the integrity of the scales themselves.
Конструкционные элементы измерителя, осуществляющие передачу добавочной радиационной силы ультразвукового излучения на чувствительный элемент измерителя массы выполнены в виде двух стоек коромысла мишени 6. Стойки расположены на против друг друга, что обеспечивает равномерное распределение передающегося на чувствительный элемент измерителя массы усилия. Такая конструкция, передающего радиационную силу ультразвука, механизма позволяет снизить погрешности измерений мощности, возникающие из-за бокового давления на шток чувствительного элемента измерителя массы. Стойки выполнены из прочного и легкого материала (например, алюминия), что позволяет снизить НПВ применяемых весов, что также ведет к удешевлению всего измерителя, так как весы с большим НПВ имеют большую стоимость. Также высокая прочность стоек обеспечивает более точный результат измерений мощности, за счет меньших деформаций (прогиба) при измерениях.The structural elements of the meter that transmit the additional radiation force of ultrasonic radiation to the sensitive element of the mass meter are made in the form of two pillars of the target rocker arm 6. The pillars are located opposite each other, which ensures uniform distribution of the force transmitted to the sensitive element of the mass meter. This design of the mechanism transmitting the radiation force of ultrasound allows us to reduce the errors in power measurements that arise due to lateral pressure on the rod of the sensitive element of the mass meter. The stands are made of durable and lightweight material (for example, aluminum), which makes it possible to reduce the LEL of the scales used, which also leads to a reduction in the cost of the entire meter, since scales with a large LEL are more expensive. Also, the high strength of the racks provides a more accurate result of power measurements, due to less deformation (deflection) during measurements.
Применение предложенного технического решения повышает достоверность измерений мощности ультразвука, эргономичность измерителей мощности ультразвукового излучения, построенных по компоновке В с поглощающей мишенью по ГОСТ Р МЭК 61161-2019, и снижает стоимость обслуживания таких измерителей.The use of the proposed technical solution increases the reliability of ultrasonic power measurements, the ergonomics of ultrasonic radiation power meters built according to layout B with an absorbing target in accordance with GOST R IEC 61161-2019, and reduces the cost of servicing such meters.
ЛитератураLiterature
IEC 61161:2013 Ultrasonics - Power measurements - Radiation force balance and performance requirementsIEC 61161:2013 Ultrasonics - Power measurements - Radiation force balance and performance requirements
ГОСТ P МЭК 61161-2019 Государственная система измерений. Мощность ультразвука в жидкостях. Общие требования к выполнению измерений методом уравновешивания радиационной силыGOST R IEC 61161-2019 State measurement system. Ultrasound power in liquids. General requirements for performing measurements using the radiation force balancing method
IEC 62555-2013 Ultrasonics - Power measurement - High intensity therapeutic ultrasound (HITU) transducers and systems.IEC 62555-2013 Ultrasonics - Power measurement - High intensity therapeutic ultrasound (HITU) transducers and systems.
Claims (6)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2814447C1 true RU2814447C1 (en) | 2024-02-28 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19836727A1 (en) * | 1998-08-13 | 2000-02-17 | Burkhard Fay | Thermo-acoustic sensor, especially for measuring total ultrasonic power radiated from ultrasound transducers; has thermally-insulated ultrasound duct to direct ultrasound radiated in sound propagation medium with negligible absorption |
CN201803790U (en) * | 2010-02-26 | 2011-04-20 | 南京海克医疗设备有限公司 | Absorbing target for measuring high-intensity focused ultrasound power |
CN101788330B (en) * | 2010-02-26 | 2011-11-23 | 南京海克医疗设备有限公司 | Absorption target for measuring high-intensity focused ultrasound power |
WO2020008332A1 (en) * | 2018-07-03 | 2020-01-09 | Tubitak | Portable ultrasonic power meter (pug) device |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19836727A1 (en) * | 1998-08-13 | 2000-02-17 | Burkhard Fay | Thermo-acoustic sensor, especially for measuring total ultrasonic power radiated from ultrasound transducers; has thermally-insulated ultrasound duct to direct ultrasound radiated in sound propagation medium with negligible absorption |
CN201803790U (en) * | 2010-02-26 | 2011-04-20 | 南京海克医疗设备有限公司 | Absorbing target for measuring high-intensity focused ultrasound power |
CN101788330B (en) * | 2010-02-26 | 2011-11-23 | 南京海克医疗设备有限公司 | Absorption target for measuring high-intensity focused ultrasound power |
WO2020008332A1 (en) * | 2018-07-03 | 2020-01-09 | Tubitak | Portable ultrasonic power meter (pug) device |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
B. Karaboce, M. Ozdingis, H. O. Durmus and E. Cetin, "Load Cell Based Ultrasonic Wattmeter For Ultrasonic Probe Calibration," 2019 IEEE International Symposium on Medical Measurements and Applications (MeMeA), Istanbul, Turkey, 2019, pp. 1-6, doi: 10.1109/MeMeA.2019.8802149. Fick SE, Ruggles D. In-situ Attenuation Corrections for Radiation Force Measurements of High Frequency Ultrasound With a Conical Target. J Res Natl Inst Stand Technol. 2006 Dec 1;111(6):435-42. doi: 10.6028/jres.111.034. PMID: 27274946; PMCID: PMC4655998. Кузнецов, С. И. Эталонный измеритель мощности ультразвука в воде ЭИМУ-3 / С. И. Кузнецов // Альманах современной метрологии. - 2022. - номер 3(31). - С. 31-44. https://web.archive.org/web/20220518032544/https://www.acoustics.co.uk/product/aptflex-f28p/ 2022. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3699138B2 (en) | Elastic wave detector | |
Stewart | Ultrasonic measurement techniques and equipment output levels | |
US5335661A (en) | Ultrasonic scanning apparatus | |
CN100488458C (en) | Ultrasonic diagnosis apparatus | |
RU2814447C1 (en) | Ultrasonic radiation power meter | |
Shotton | A tethered float radiometer for measuring the output power from ultrasonic therapy equipment | |
US5670710A (en) | Fluid quantity gauging systems | |
KR100612378B1 (en) | Immersion type broadband ultrasonic pulse spectroscopy system and the method thereof | |
Beissner | Radiation force and force balances | |
Swamy et al. | Ultrasonic power measurements in the milliwatt region by the radiation force float method | |
RU2738751C1 (en) | Method of ultrasonic inspection of parameters of molding of fuel assemblies of nuclear reactors | |
CN211723236U (en) | Tissue-imitated phantom for detecting imaging uniformity of ultrasonic tomography equipment | |
Sutton et al. | Measurement of ultrasonic power using an acoustically absorbing well | |
CN113686426A (en) | Ultrasonic sound pressure testing device based on laser vibrometer | |
ES470655A1 (en) | Ultrasonic calibration assembly | |
Lunt et al. | A simple radiation balance for measuring ultrasonic power | |
SU620828A1 (en) | Ultrasonic level indicator | |
Wong et al. | High power ultrasound standard | |
RU2803034C1 (en) | Target for measuring the power of ultrasonic radiation | |
CN215639754U (en) | Ultrasonic sound pressure testing device based on laser vibrometer | |
Stewart | Ultrasonic measuring techniques | |
US4160388A (en) | Power measuring apparatus for ultrasonic transducers | |
Beissner | Radiation force and force balances | |
CN207585717U (en) | The ultrasonic material level meter that a kind of flying speed is calibrated automatically | |
CN202211714U (en) | Novel bone density detection device |