TWI678191B - 測量聲學換能器之特徵環路靈敏度的方法與系統 - Google Patents
測量聲學換能器之特徵環路靈敏度的方法與系統 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI678191B TWI678191B TW107133467A TW107133467A TWI678191B TW I678191 B TWI678191 B TW I678191B TW 107133467 A TW107133467 A TW 107133467A TW 107133467 A TW107133467 A TW 107133467A TW I678191 B TWI678191 B TW I678191B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- broadband
- pulse
- acoustic transducer
- measuring
- reference signal
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
- G01S7/523—Details of pulse systems
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H17/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves, not provided for in the preceding groups
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
- G01N29/30—Arrangements for calibrating or comparing, e.g. with standard objects
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/34—Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
- G01N29/341—Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor with time characteristics
- G01N29/343—Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor with time characteristics pulse waves, e.g. particular sequence of pulses, bursts
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
- G01N29/46—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor by spectral analysis, e.g. Fourier analysis or wavelet analysis
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
- G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
- G01S15/89—Sonar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
- G01S7/52004—Means for monitoring or calibrating
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Pathology (AREA)
- Immunology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
Abstract
本發明提出一種測量聲學換能器之特徵環路靈敏度(SLC)的方法與系統。用一脈衝信號當寬頻參考信號V r (t),並且在脈衝回波測量中獲得對應的寬頻回波信號 V e (t)。聲學換能器的特徵環路靈敏度(SLC)被定義為V e (t)之能量密度相對於V r (t)之能量密度的比值,再以分貝為單位表示,其中,信號的能量密度定義為該信號的能量相對於該信號的頻寬之比值。
Description
本發明為一種測量聲學換能器之特徵環路靈敏度的方法與系統。
聲學換能器是聲學成像系統中的關鍵部件。基於聲學成像具非侵入性、非游離性、實時成像和成本效益等優勢,因此聲學成像技術經常用於非破壞檢測、臨床診斷和水下應用。例如,用於評估軟組織結構和血流量的用於臨床診斷的聲學成像,是目前繼常規X光攝影後使用最多的臨床成像模式。
第1A與1B圖為一聲學探頭的典型構造。聲學探頭113內有由多個聲學換能器117所構成的換能器陣列117A。構成換能器陣列117A的聲學換能器117其數量大於或等於一。
在先前技術中,使用靈敏度來評估聲學換能器117的特性。第2A至2B圖所示為先前測量聲學探頭中的聲學換能器靈敏度的方法。第2A圖為先前測得參考信號的安排方式。正弦猝發產生器(sine burst generator)200輸出特定頻率的正弦猝發信號(sine burst signal),在外部50歐姆負載所得
為參考信號V r (t)204。第2B圖為先前測量聲學探頭113的安排方式。正弦猝發產生器200電性耦合到聲學探頭113,且該聲學探頭113浸在裝設聲學反射鏡212的水浴槽208。聲學探頭113被正弦猝發產生器200驅動而發射出特定頻率的正弦猝發聲波214。此聲學探頭113接收反射自聲學反射鏡212的正弦猝發聲波216而輸出回波信號V e (t)224。
第3A圖為先前技術測量聲學探頭的參考信號波形。參考信號V r (t)204是至少15個週期的特定頻率正弦猝發信號,其電壓峰對峰值為Vppr。第3B圖為使用先前技術測量聲學探頭方式所得的回波信號波形。回波信號V e (t)224是一特定頻率的正弦猝發信號,其電壓峰對峰值為Vppe。該聲學換能器的環路靈敏度(loop sensitivity)根據回波信號電壓峰對峰值(Vppe)與參考信號的電壓峰對峰值(Vppr)計算求得。
先前技術的缺點是每次僅能在一個特定頻率測量聲學換能器117的環路靈敏度。在聲學探頭初問世時,聲學換能器僅對窄頻帶信號有所反應,然而隨聲學科技的進步,寬頻的聲學換能器發展迅速,因此需要一個得以測量聲學換能器寬頻特性的方法和系統,這個寬頻特性包括特徵環路靈敏度(SLC)。
本發明揭示一種用於測量聲學探頭中之聲學換能器的特徵環路靈敏度(SLC)的方法和系統。
使用一個具備50歐姆輸出阻抗,可產生單極性脈衝或雙極性脈衝的脈衝產生器,電性耦合到外部50歐姆負載。在50歐姆負載上所得為一寬頻參考信號V r (t),進一步將此寬頻參考信號V r (t)以傅立葉轉換求得
函數。此寬頻參考信號V r ( t )的能量(Er)由寬頻參考信號的功率對時間積分獲得,亦可由寬頻參考信號的能量頻譜密度對頻率積分而獲得。
在本發明的第一個和第二個實施例,所採用的分別是一個單極性負向脈衝,以及一個單極性正向脈衝;在第三個和第四個實施例,所採用的分別是一個先產生負向脈衝再產生正向脈衝的雙極性脈衝,以及一個先產生正向脈衝再產生負向脈衝的雙極性脈衝。
進一步從寬頻參考信號的函數,得到一能量頻譜,並由此能量頻譜得到此寬頻參考信號的頻寬(BWr)。寬頻參考信號的能量密度(Dr)定義為該寬頻參考信號的能量(Er),相對於該寬頻參考信號的頻寬(BWr)的比值。
將此具備50歐姆輸出阻抗的脈衝產生器電性耦合到聲學探頭,以測量聲學換能器的寬頻特性。聲學探頭浸在裝設聲學反射鏡的水浴槽,並將聲學探頭對準聲學反射鏡,使聲波垂直射向並且從聲學反射鏡反射回來。聲學探頭中的聲學換能器受此脈衝產生器驅動而朝向聲學反射鏡發射寬頻聲波。發射的寬頻聲波傳遞到在水浴槽中的聲學反射鏡後,再反射回到該聲學換能器。聲學換能器接收到此反射寬頻聲波後,產生一寬頻回波信號V e (t),再將此寬頻回波信號V e (t)以傅立葉轉換求得函數。此寬頻回波信號V e (t)的能量(Ee)由寬頻回波信號的功率對時間積分獲得,亦可由寬頻回波信號的能量頻譜密度對頻率積分而獲得。
寬頻回波信號的能量密度(De)定義為該寬頻回波信號的
能量(Ee),相對於該寬頻回波信號的頻寬(BWe)的比值。
本發明定義聲學換能器的特徵環路靈敏度(SLC)為其寬頻回波信號的能量密度(De)相對於寬頻參考信號的能量密度(Dr)的比值,再以分貝為單位表示。
所述特徵環路靈敏度(SLC)的測量步驟,係對於聲學換能器陣列中的每一個聲學換能器依序或是隨機執行。
測量聲學換能器之特徵環路靈敏度(SLC)的方法,與測量聲學換能器陣列中的每一個聲學換能器之特徵環路靈敏度(SLC)的方法,皆嵌入於本發明系統之韌體或是程式記憶體中。
本發明提出一種測量聲學換能器之特徵環路靈敏度的系統。該系統包括脈衝產生器、信號處理單元、換能器選擇器和控制單元。控制單元更包括韌體、程式記憶體和儲存器。
113‧‧‧聲學探頭
117‧‧‧聲學換能器
117A‧‧‧換能器陣列
200‧‧‧正弦猝發產生器
204‧‧‧參考信號
208‧‧‧水浴槽
212‧‧‧聲學反射鏡
214‧‧‧發射正弦猝發聲波
216‧‧‧反射正弦猝發聲波
224‧‧‧輸出回波信號
400‧‧‧單極性負向脈衝
404‧‧‧單極性負向脈衝的能量頻譜
500‧‧‧單極性正向脈衝
504‧‧‧單極性正向脈衝的能量頻譜
600、900‧‧‧聲學換能器的頻率響應
700、800‧‧‧雙極性脈衝
704、804‧‧‧雙極性脈衝的能量頻譜
1000‧‧‧脈衝產生器
1004‧‧‧發射寬頻聲波
1008‧‧‧反射寬頻聲波
1100、1200、1300、1400‧‧‧寬頻回波信號
1504、1604‧‧‧寬頻回波信號典型的能量頻譜
1800‧‧‧聲學換能器之寬頻環路靈敏度的測量系統
1801‧‧‧脈衝產生器
1802‧‧‧信號處理單元
1804‧‧‧換能器選擇器
1806‧‧‧控制單元
1807‧‧‧韌體
1808‧‧‧程式記憶體
1809‧‧‧資料儲存器
1830‧‧‧外部輸出裝置
第1A圖與第1B圖為聲學探頭的典型構造;第2A圖為先前技術測量參考信號的安排方式;第2B圖為先前技術測量聲學探頭的安排方式;第3A圖為先前技術測量聲學探頭的參考信號波形;第3B圖為使用先前技術測量聲學探頭所得的回波信號波形;第4A圖與第4B圖為本發明第一個實施例之寬頻參考信號,所採用者為一個單極性負向脈衝波形及其能量頻譜;第5A圖與第5B圖為本發明第二個實施例之寬頻參考信號,所採用者
為一個單極性正向脈衝波形及其能量頻譜;第6A圖為本發明第一個與第二個實施例中,以單極性脈衝為寬頻參考信號之典型能量頻譜;第6B圖為本發明第一個與第二個實施例中,聲學換能器的典型頻率響應;第7A圖與第7B圖為本發明第三個實施例之寬頻參考信號,所採用者為一個先產生負向脈衝再產生正向脈衝的雙極性脈衝波形及其能量頻譜;第8A圖與第8B圖為本發明第四個實施例之寬頻參考信號,所採用者為一個先產生正向脈衝再產生負向脈衝的雙極性脈衝波形及其能量頻譜;第9A圖為本發明第三個與第四個實施例中,以雙極性脈衝為寬頻參考信號之典型能量頻譜;第9B圖為本發明第三個與第四個實施例中,聲學換能器的典型頻率響應;第10A圖為本發明測量寬頻參考信號的安排方式;第10B圖為本發明測量聲學探頭的安排方式;第11A圖為本發明第一個實施例所採用,以一個單極性負向脈衝作為寬頻參考信號,其信號波形及其傅立葉轉換函數;第11B圖為本發明第一個實施例採用單極性負向脈衝,所得到寬頻回波信號的波形及其傅立葉轉換函數;第12A圖為本發明第二個實施例所採用,以一個單極性正向脈衝作為寬頻參考信號,其信號波形及其傅立葉轉換函數;第12B圖為本發明第二個實施例採用單極性正向脈衝,所得到寬頻回
波信號的波形及傅立葉轉換函數;第13A圖為本發明第三個實施例所採用,以第一種雙極性脈衝作為寬頻參考信號,其信號波形及傅立葉轉換函數;第13B圖為本發明第三個實施例採用第一種雙極性脈衝,所得到寬頻回波信號的波形及傅立葉轉換函數;第14A圖為本發明第四個實施例所採用,以第二種雙極性脈衝作為寬頻參考信號,其信號波形及傅立葉轉換函數;第14B圖為本發明第四個實施例採用第二種雙極性脈衝,所得到寬頻回波信號的波形及傅立葉轉換函數;第15A圖為本發明第一個與第二個實施例中,以單極性脈衝為寬頻參考信號之典型能量頻譜;第15B圖為本發明第一個與第二個實施例中,以單極性脈衝為寬頻參考信號,所得之寬頻回波信號的典型能量頻譜;第16A圖為本發明第三個與第四個實施例中,以雙極性脈衝為寬頻參考信號之典型能量頻譜;第16B圖為本發明第三個與第四個實施例中,以雙極性脈衝為寬頻參考信號,所得之寬頻回波信號的典型能量頻譜;第17圖為本發明測量聲學換能器之特徵環路靈敏度的流程圖;第18圖為本發明測量聲學換能器之特徵環路靈敏度的系統。
本發明揭示一種用於測量聲學換能器之特徵環路靈敏度(SLC)的方法與系統。“環路”是指由一聲學換能器發射聲波,並且以同一個
聲學換能器接收對應的反射回波之脈衝回波模式(pulse-echo mode)。
本發明介紹聲學探頭中的聲學換能器之特徵環路靈敏度的測量方法。
為測量聲學換能器的寬頻特性,本發明採用一個脈衝信號為寬頻參考信號。本發明之四個實施例所採用的脈衝信號分別為:單極性負向脈衝400、單極性正向脈衝500、先產生負向脈衝再產生正向脈衝的雙極性脈衝700、以及先產生正向脈衝再產生負向脈衝的雙極性脈衝800。
第4A圖與第4B圖為本發明第一個實施例之寬頻參考信號V r (t),所採用者為一個單極性負向脈衝波形400及其能量頻譜404。寬頻參考信號V r (t)的能量頻譜為,其中是單極性負向脈衝V r (t)的傅立葉轉換函數。
第5A圖與第5B圖為本發明第二個實施例之寬頻參考信號V r (t),所採用者為一個單極性正向脈衝波形500及其能量頻譜504。寬頻參考信號V r (t)的能量頻譜為,其中是單極性正向脈衝V r (t)的傅立葉轉換函數。
第6A圖為本發明第一個與第二個實施例中,以單極性脈衝為寬頻參考信號的典型能量頻譜。寬頻參考信號的能量頻譜404,504之最大能量密度位於0Hz(f0)處。該能量頻譜的上限頻率(f4)為寬頻參考信號的能量頻譜404,504之能量密度相對於最大值,降低至一特定值(例如-6dB)時的頻率。
第6B圖為本發明第一個與第二個實施例中,聲學換能器典
型的頻率響應600。頻率響應最大值通常發生在聲學換能器的中心頻率或共振頻率。頻率響應之上限頻率(f3)和下限頻率(f2)分別為頻率響應相對於最大值,降低至一特定值(例如-6dB)時之頻率,而頻率響應最大值之頻率位於(f2)與(f3)之間。
為了確保測量時有良好的訊噪比(signal-to-noise ratio),第一個與第二個實施例之寬頻參考信號的能量頻譜404,504的上限頻率(f4)需高於聲學換能器的典型頻率響應600的上限頻率(f3),亦即f4>f3。
第7A圖與第7B圖為本發明第三個實施例之寬頻參考信號V r (t),所採用者為一個先產生負向脈衝再產生正向脈衝的雙極性脈衝波形700及其能量頻譜704。寬頻參考信號V r (t)的能量頻譜為,其中是先產生負向脈衝再產生正向脈衝的雙極性脈衝V r (t)的傅立葉轉換函數。
第8A圖與第8B圖為本發明第四個實施例之寬頻參考信號V r (t),所採用者為一個先產生正向脈衝再產生負向脈衝的雙極性脈衝波形800及其能量頻譜804。寬頻參考信號V r (t)的能量頻譜為,其中是先產生正向脈衝再產生負向脈衝的雙極性脈衝V r (t)的傅立葉轉換函數。
第9A圖為本發明第三個與第四個實施例中,以雙極性脈衝為寬頻參考信號的典型能量頻譜。該能量頻譜的下限頻率(f1)與上限頻率(f4)為寬頻參考信號的能量頻譜704,804之能量密度相對於最大值,降低至一特定值(例如-6dB)時的頻率,而寬頻參考信號的能量頻譜704,804之最大能量密度位於(f1)與(f4)之間。
第9B圖為本發明第三個與第四個實施例中,聲學換能器典
型的頻率響應900。頻率響應最大值通常發生在聲學換能器的中心頻率或共振頻率。頻率響應之上限頻率(f3)和下限頻率(f2)分別為頻率響應相對於最大值,降低至一特定值(例如-6dB)時之頻率,而對應頻率響應最大值之頻率位於(f2)與(f3)之間。
為了確保測量時有良好的訊噪比(signal-to-noise ratio),第三個與第四個實施例之寬頻參考信號的能量頻譜704,804的上限頻率(f4)需高於聲學換能器的典型頻率響應900的上限頻率(f3),並且寬頻參考信號的能量頻譜704,804的下限頻率(f1)需低於聲學換能器的典型頻率響應900的下限頻率(f2),亦即f4>f3>f2>f1。
第10A圖為本發明測量寬頻參考信號400,500,700,800的安排方式。外部50歐姆負載電性耦合到具50歐姆輸出阻抗的單極性或雙極性脈衝產生器1000,而在50歐姆負載上獲得寬頻參考信號V r (t)。
第10B圖為本發明測量聲學探頭的安排方式。具50歐姆輸出阻抗的脈衝產生器1000電性耦合到聲學探頭113,以便測量聲學換能器117的寬頻特性。聲學探頭浸在裝設聲學反射鏡212的水浴槽208,並將聲學探頭對準聲學反射鏡,使聲波垂直射向並且從聲學反射鏡反射回來。聲學探頭中的聲學換能器受此脈衝產生器驅動而朝向聲學反射鏡發射寬頻聲波1004。發射的寬頻聲波傳遞到在水浴槽中的聲學反射鏡後,再反射回到該聲學換能器。聲學換能器接收到此反射寬頻聲波1008後,輸出一寬頻回波信號V e (t)1100,1200,1300,1400。
第11A圖為本發明第一個實施例所採用,以單極性脈衝產生器產生之一個單極性負向脈衝作為寬頻參考信號400之電信號波形V r (t)
與其傅立葉轉換函數。單極性負向脈衝參考信號 V r (t)的能量(Er)亦同時求得,其計算方式為寬頻參考信號功率的時間積分,或以寬頻參考信號的能量頻譜密度對頻率積分而得。數學式表示如下:
第11B圖為本發明第一個實施例採用單極性負向脈衝,所得到寬頻回波信號1100的電信號波形V e (t)及其傅立葉轉換函數。單極性負向脈衝所得的寬頻回波信號V e (t)的能量(Ee)亦同時求得,其計算方式為寬頻回波信號功率的時間積分,或以寬頻回波信號的能量頻譜密度對頻率積分而得。數學式表示如下:
第12A圖為本發明第二個實施例所採用,以單極性脈衝產生器產生之一個單極性正向脈衝作為寬頻參考信號500之電信號波形V r (t)與其傅立葉轉換函數。單極性正向脈衝參考信號 V r (t)的能量(Er)亦同時求得,其計算方式為寬頻參考信號功率的時間積分,或以寬頻參考信號的能量頻譜密度對頻率積分而得。數學式表示如下:
第12B圖為本發明第二個實施例採用單極性正向脈衝,所得到寬頻回波信號1200的電信號波形V e (t)及其傅立葉轉換函數。單極性正向脈衝所得的寬頻回波信號V e (t)的能量(Ee)亦同時求得,其計算方式為寬頻回波信號功率的時間積分,或以寬頻回波信號的能量頻譜密度對頻率
積分而得。數學式表示如下:
第13A圖為本發明第三個實施例所採用,以第一種雙極性脈衝產生器產生之一個先產生負向脈衝再產生正向脈衝的雙極性脈衝作為寬頻參考信號700之電信號波形V r (t)與其傅立葉轉換函數。先產生負向脈衝再產生正向脈衝的雙極性脈衝參考信號V r (t)的能量(Er)亦同時求得,其計算方式為寬頻參考信號功率的時間積分,或以寬頻參考信號的能量頻譜密度對頻率積分而得。數學式表示如下:
第13B圖為本發明第三個實施例採用之先產生負向脈衝再產生正向脈衝的雙極性脈衝所得到寬頻回波信號1300的電信號波形V e (t)及其傅立葉轉換函數。雙極性脈衝所得的寬頻回波信號 V e (t)的能量(Ee)亦同時求得,其計算方式為寬頻回波信號功率的時間積分,或以寬頻回波信號的能量頻譜密度對頻率積分而得。數學式表示如下:
第14A圖為本發明第四個實施例所採用,以第二種雙極性脈衝產生器產生之一個先產生正向脈衝再產生負向脈衝的雙極性脈衝作為寬頻參考信號800之電信號波形V r (t)與其傅立葉轉換函數。先產生正向脈衝再產生負向脈衝的雙極性脈衝參考信號V r (t)的能量(Er)亦同時求得,其計算方式為寬頻參考信號功率的時間積分,或以寬頻參考信號的能量頻譜
密度對頻率積分而得。數學式表示如下:
第14B圖為本發明第四個實施例採用之先產生正向脈衝再產生負向脈衝的雙極性脈衝所得到寬頻回波信號1400的電信號波形V e (t)及其傅立葉轉換函數。雙極性脈衝所得的寬頻回波信號 V e (t)的能量(E e )亦同時求得,其計算方式為寬頻回波信號功率的時間積分,或以寬頻回波信號的能量頻譜密度對頻率積分而得。數學式表示如下:
第15A圖為本發明第一個與第二個實施例中,以單極性脈衝為寬頻參考信號的典型能量頻譜。寬頻參考信號的能量頻譜404,504之最大能量密度位於0Hz(f0)處。該能量頻譜的上限頻率(f4)為寬頻參考信號的能量頻譜404,504之能量密度相對於最大值,降低至一特定值(例如-6dB)時的頻率。寬頻參考信號的能量頻譜404,504之頻寬(BWr)為上限頻率(f4)與0Hz(f0)的差值,亦即BWr=f4-f0。
第15B圖為本發明第一個與第二個實施例中,所得之寬頻回波信號典型的能量頻譜1504。能量頻譜1504最大值通常發生在聲學換能器的中心頻率或共振頻率。能量頻譜之上限頻率(f3)和下限頻率(f2)分別為能量頻譜1504相對於最大值,降低至一特定值(例如-6dB)時之頻率,而能量頻譜最大值之頻率位於(f2)與(f3)之間。寬頻回波信號的能量頻譜1504之頻寬(BWe)為上限頻率(f3)與下限頻率(f2)的差值,亦即BWe=f3-f2。
第16A圖為本發明第三個與第四個實施例中,以雙極性脈
衝為寬頻參考信號的典型能量頻譜。寬頻參考信號的能量頻譜704,804之上限頻率(f4)和下限頻率(f1)分別為能量頻譜相對於最大值,降低至一特定值(例如-6dB)時之頻率,而能量頻譜最大值之頻率位於(f1)與(f4)之間。寬頻參考信號的能量頻譜704,804之頻寬(BWr)為上限頻率(f4)與下限頻率(f1)的差值,亦即BWr=f4-f1。
第16B圖為本發明第三個與第四個實施例中,所得之寬頻回波信號典型的能量頻譜1604。能量頻譜1604最大值通常發生在聲學換能器的中心頻率或共振頻率。能量頻譜之上限頻率(f3)和下限頻率(f2)分別為能量頻譜1604相對於最大值,降低至一特定值(例如-6dB)時之頻率,而能量頻譜最大值之頻率位於(f2)與(f3)之間。寬頻回波信號的能量頻譜1604之頻寬(BWe)為上限頻率(f3)與下限頻率(f2)的差值,亦即BWe=f3-f2。
第17圖為本發明測量聲學換能器特徵環路靈敏度之流程圖。獲得寬頻參考信號的能量密度(Dr)的測量步驟包括:準備脈衝產生器以及信號處理單元;產生脈衝以提供寬頻信號作為參考信號;獲得寬頻參考信號V r (t);獲得函數,其中,是寬頻參考信號 V r (t)的傅立葉轉換函數;根據函數,獲得寬頻參考信號的能量頻譜;根據寬頻參考信號的能量頻譜,在指定的分貝值位置,計算寬頻參考信號的能量頻譜的頻寬(BWr);計算寬頻參考信號V r (t)的能量(Er);計算寬頻參考信號的能量密度(Dr):;以及將該寬頻參考信號的能量密度(Dr)儲存在韌體或是程式記憶體中。
獲得寬頻回波信號的能量密度(De)的測量步驟包括:耦合該脈衝產生器以及該信號處理單元到聲學換能器;由該聲學換能器產生寬頻聲波;在寬頻聲波被聲學反射鏡反射之後,獲得寬頻回波信號V e (t);獲得函數,其中,是該寬頻回波信號V e (t)的傅立葉轉換函數;根據函數,獲得寬頻回波信號的能量頻譜;根據寬頻回波信號的能量頻譜,在指定的分貝值位置,計算寬頻回波信號的能量頻譜的頻寬(BWe);計算寬頻回波信號V e (t)的能量(Ee);計算寬頻回波信號的能量密度(De):;以及將該寬頻回波信號的能量密度(De)儲存在程式記憶體。
該聲學換能器之特徵環路靈敏度(SLC)的測量步驟包括:獲得寬頻參考信號的能量密度(Dr);獲得寬頻回波信號的能量密度(De);定義該聲學換能器之特徵環路靈敏度(SLC)為:;將此特徵環路
靈敏度(SLC)儲存在儲存裝置;以及將儲存在儲存裝置的資料輸出。
聲學探頭內所有的聲學換能器,都可獲得各自的特徵環路靈敏度(SLC)。獲得多個聲學換能器的特徵環路靈敏度(SLC)之測量步驟包括:所述特徵環路靈敏度(SLC)的測量步驟,係對於聲學換能器陣列中的每一個聲學換能器依序或是隨機執行;獲得多個特徵環路靈敏度(SLC);將多個特徵環路靈敏度(SLC)儲存在儲存裝置中;以及輸出儲存在儲存裝置的資料。
以本發明方法測量聲學探頭中的一聲學換能器之特徵環路靈敏度,得到的特徵環路靈敏度為-49dB。上述範例使用的是商用超音波探頭陣列,具有192個聲學換能器。測量所使用的寬頻參考信號為-75V的單極性負向脈衝,上限頻率為55MHz。聲學換能器與聲學反射鏡的距離為20mm。不銹鋼材質聲學反射鏡在水中的反射係數為0.93。
第18圖為本發明用以測量聲學探頭的聲學換能器之特徵環路靈敏度的系統1800,其包含:脈衝產生器1801、信號處理單元1802、換能器選擇器1804、以及控制單元1806。控制單元1806更包含韌體1807、程式記憶體1808、以及資料儲存器1809。
控制單元1806電性耦合到脈衝產生器1801、信號處理單元1802、以及外部輸出裝置1830。
脈衝產生器1801經由換能器選擇器1804電性耦合到聲學換能器,並產生脈衝以使聲學換能器發出寬頻聲波。產生的脈衝可以是單極性脈衝或是雙極性脈衝。單極性脈衝可以是負向脈衝400或是正向脈衝500。雙極性脈衝可以是先產生負向脈衝再產生正向脈衝的雙極性脈衝700,或是先產生正向脈衝再產生負向脈衝的雙極性脈衝800。
反射的寬頻聲波被聲學換能器接收後,經由換能器選擇器1804至信號處理單元1802,並進行信號處理。換能器選擇器1804可循序漸進或隨機選定聲學探頭113中的一個聲學換能器。
本發明所述獲得寬頻參考信號V r (t)之寬頻參考信號的能量密度(Dr)的測量方法,被嵌入在韌體1807或是程式記憶體1808中。
本發明所述獲得寬頻回波信號V e (t)之寬頻回波信號的能量密度(De)的測量方法,被嵌入在韌體1807或是程式記憶體1808中。
本發明所述測量聲學換能器之特徵環路靈敏度(SLC)的方法,被嵌入在韌體1807或是程式記憶體1808中。
根據本發明,用於測量聲學換能器陣列中的每個和所有聲學換能器的多個特徵環路靈敏度(SLC)之方法,被嵌入在韌體1807或是程式記憶體1808中。
所有測量到的資料被存放在資料儲存器1809,並輸出到外部輸出裝置1830。
上述各實施例係用以說明本發明之特點,其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施,而非限定本發明之專利範圍,故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修改,仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。
Claims (20)
- 如申請專利範圍第1項所述測量聲學換能器的特徵環路靈敏度的方法,其中,所述脈衝是單極性脈衝或是雙極性脈衝。
- 如申請專利範圍第2項所述測量聲學換能器的特徵環路靈敏度的方法,其中,所述單極性脈衝是負向脈衝或是正向脈衝。
- 如申請專利範圍第2項所述測量聲學換能器的特徵環路靈敏度的方法,其中所述雙極性脈衝是先產生負向脈衝再產生正向脈衝。
- 如申請專利範圍第2項所述測量聲學換能器的特徵環路靈敏度的方法,其中,所述雙極性脈衝是先產生正向脈衝再產生負向脈衝。
- 如申請專利範圍第1項所述測量聲學換能器的特徵環路靈敏度的方法,還包括:將寬頻參考信號的能量密度(Dr)儲存在韌體或是程式記憶體中。
- 如申請專利範圍第8項所述測量聲學換能器的特徵環路靈敏度的方法,還包括:將特徵環路靈敏度(SLC)儲存在儲存裝置中。
- 如申請專利範圍第9項所述測量聲學換能器的特徵環路靈敏度的方法,還包括:輸出儲存在儲存裝置中的數據。
- 如申請專利範圍第9項所述測量聲學換能器的特徵環路靈敏度的方法,其中,計算特徵環路靈敏度(SLC)的測量步驟,係對在聲學換能器陣列中的所有聲學換能器依序執行或是隨機執行。
- 如申請專利範圍第11項所述測量聲學換能器的特徵環路靈敏度的方法,還包括:獲得多個特徵環路靈敏度(SLC);以及將多個特徵環路靈敏度(SLC)儲存在儲存裝置中。
- 如申請專利範圍第12項所述測量聲學換能器的特徵環路靈敏度的方法,還包括:輸出儲存在儲存裝置中的數據。
- 一種測量聲學換能器的特徵環路靈敏度的方法,所述測量步驟包括:準備脈衝產生器,串聯一個特定負載,產生第一脈衝以提供寬頻信號作為參考信號;獲得寬頻參考信號V r (t);獲得函數(f),其中,(f)是寬頻參考信號V r (t)的傅立葉轉換函數;依據函數(f)獲得寬頻參考信號的能量頻譜;在指定分貝處,計算寬頻參考信號能量頻譜的頻寬(BWr);計算寬頻參考信號V r (t)的能量(Er);計算寬頻參考信號V r (t)的能量密度(Dr):Dr=Er/BWr;將所述脈衝產生器電性耦合到所述聲學換能器,產生第二脈衝,以從聲學換能器產生寬頻聲波;在寬頻聲波被聲學反射鏡反射後獲得寬頻回波信號V e (t);獲得函數(f),其中,(f)是寬頻回波信號V e (t)的傅立葉轉換的函數;依據函數(f),獲得寬頻回波信號的能量頻譜;在指定分貝處,計算寬頻回波信號的能量頻譜的頻寬(BWe);計算寬頻回波信號V e (t)的能量(Ee);計算寬頻回波信號的能量密度(De):De=Ee/BWe;以及定義特徵環路靈敏度(SLC):SLC 10log(De/Dr)。
- 一種測量聲學換能器的特徵環路靈敏度的系統,包括:脈衝產生器,可以選擇性電性耦合到一個特定負載,產生第一脈衝以提供寬頻信號作為參考信號;所述脈衝產生器,可以選擇性電性耦合到所述聲學換能器,產生第二脈衝,以從所述聲學換能器提供寬頻聲波;以及控制單元,電性耦合到脈衝產生器;其中,所述聲學換能器浸在裝設聲學反射鏡的水浴槽中,並將所述聲學換能器對準所述聲學反射鏡,使所述寬頻聲波垂直射向並且從所述聲學反射鏡反射回來。
- 如申請專利範圍第15項所述測量聲學換能器的特徵環路靈敏度的系統,其中所述控制單元還包括韌體以及程式記憶體。
- 如申請專利範圍第16項所述測量聲學換能器的特徵環路靈敏度的系統,其中如申請專利範圍第1項所述測量方法,係被嵌入在韌體或是程式記憶體中。
- 如申請專利範圍第17項所述測量聲學換能器的特徵環路靈敏度的系統,其中如申請專利範圍第7項所述測量方法,係被嵌入在韌體或是程式記憶體中。
- 如申請專利範圍第17項所述測量聲學換能器的特徵環路靈敏度的系統,其中如申請專利範圍第14項所述測量方法,係被嵌入在韌體或是程式記憶體中。
- 如申請專利範圍第15項所述測量聲學換能器的特徵環路靈敏度的系統,其中,所述脈衝是單極性脈衝或是雙極性脈衝。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US15/855,710 | 2017-12-27 | ||
US15/855,710 US10768286B2 (en) | 2017-12-27 | 2017-12-27 | Method and system for measuring a characteristic loop sensitivity for an acoustic transducer |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
TW201927245A TW201927245A (zh) | 2019-07-16 |
TWI678191B true TWI678191B (zh) | 2019-12-01 |
Family
ID=64664073
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
TW107133467A TWI678191B (zh) | 2017-12-27 | 2018-09-21 | 測量聲學換能器之特徵環路靈敏度的方法與系統 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US10768286B2 (zh) |
EP (1) | EP3505927B1 (zh) |
CN (1) | CN109974844B (zh) |
TW (1) | TWI678191B (zh) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN116087338B (zh) * | 2023-04-10 | 2023-07-14 | 四川省地质矿产勘查开发局一0六地质队 | 一种岩石脆性破坏前兆指标的构建方法 |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1152851A (zh) * | 1995-10-24 | 1997-06-25 | 孙庚辰 | 电声转换器件参数的测量方法及其测量系统 |
Family Cites Families (21)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4434648A (en) * | 1981-02-26 | 1984-03-06 | Cornell Research Foundation, Inc. | Electroacoustic transducer calibration method and apparatus |
JPS59153186A (ja) * | 1983-02-19 | 1984-09-01 | Fujitsu General Ltd | 超音波トランスジユ−サのエキサイト方法 |
TW200520367A (en) * | 2003-12-11 | 2005-06-16 | Univ Nat Sun Yat Sen | High sensitivity wide-bandwidth voltage to frequency converter |
US20050251041A1 (en) * | 2004-05-07 | 2005-11-10 | Moehring Mark A | Doppler ultrasound processing system and method for concurrent acquisition of ultrasound signals at multiple carrier frequencies, embolus characterization system and method, and ultrasound transducer |
US7132908B1 (en) * | 2004-09-16 | 2006-11-07 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Selectable performance filter |
JP3943569B2 (ja) * | 2004-11-30 | 2007-07-11 | 富士通株式会社 | パルス極性変調回路 |
WO2006130499A2 (en) * | 2005-05-27 | 2006-12-07 | Cidra Corporation | An apparatus and method for fiscal measuring of an aerated fluid |
US8147409B2 (en) * | 2007-03-29 | 2012-04-03 | Supertex, Inc. | Method and apparatus for transducer excitation in medical ultrasound imaging |
CN101169363B (zh) * | 2007-09-27 | 2010-12-22 | 上海理工大学 | 颗粒粒度、浓度和密度测量方法及其装置 |
CN101411625B (zh) * | 2007-10-15 | 2012-07-25 | 深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司 | 超声系统双极性脉冲调制发射方法 |
EP2124073B1 (en) * | 2008-05-19 | 2013-10-30 | Siemens Aktiengesellschaft | Acoustic pulse echo ranging system using pulses at different frequencies |
JP4694609B2 (ja) * | 2008-10-24 | 2011-06-08 | 日本電波工業株式会社 | 弾性波フィルタ |
CN201516405U (zh) * | 2009-03-31 | 2010-06-30 | 广州多浦乐电子科技有限公司 | 压电单晶复合材料高频超声换能器 |
US8742768B1 (en) * | 2010-08-23 | 2014-06-03 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Agriculture | Interrogation measurement system and method providing accurate permittivity measurements via ultra-wideband removal of spurious reflectors |
CN102028499B (zh) * | 2010-12-24 | 2012-10-31 | 飞依诺科技(苏州)有限公司 | 超声探头自适应成像系统 |
KR101477544B1 (ko) * | 2012-01-02 | 2014-12-31 | 삼성전자주식회사 | 초음파 트랜스듀서, 초음파 프로브, 및 초음파 진단장치 |
CN103157594B (zh) * | 2013-03-25 | 2016-01-13 | 广州多浦乐电子科技有限公司 | 一种柔性超声相控阵阵列换能器及制作方法 |
CN104090031B (zh) * | 2014-07-16 | 2016-05-11 | 浙江省交通规划设计研究院 | 一种基于超声环形相控阵列的预应力管道压浆质量检测装置 |
CN105214926B (zh) * | 2015-10-07 | 2017-10-20 | 华北水利水电大学 | 一种组合式超声波收发一体换能器 |
CN105806947A (zh) * | 2016-05-17 | 2016-07-27 | 河海大学常州校区 | 一种用于检测倾斜缺陷的超声检测方法 |
CN205786484U (zh) * | 2016-05-18 | 2016-12-07 | 宁波大学 | 一种综合声波衰减系数的测试装置 |
-
2017
- 2017-12-27 US US15/855,710 patent/US10768286B2/en active Active
-
2018
- 2018-04-13 CN CN201810333931.1A patent/CN109974844B/zh active Active
- 2018-09-21 TW TW107133467A patent/TWI678191B/zh active
- 2018-12-07 EP EP18211185.6A patent/EP3505927B1/en active Active
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1152851A (zh) * | 1995-10-24 | 1997-06-25 | 孙庚辰 | 电声转换器件参数的测量方法及其测量系统 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US10768286B2 (en) | 2020-09-08 |
US20190195995A1 (en) | 2019-06-27 |
EP3505927B1 (en) | 2023-04-26 |
EP3505927A1 (en) | 2019-07-03 |
TW201927245A (zh) | 2019-07-16 |
CN109974844B (zh) | 2021-10-29 |
CN109974844A (zh) | 2019-07-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN101966088B (zh) | 基于柔性相控超声阵列的口腔综合检测装置 | |
CN110186546B (zh) | 基于粉红噪声的水听器灵敏度自由场宽带校准方法 | |
KR20050058365A (ko) | 개선된 고조파 영상 처리를 위한 시스템 및 방법 | |
JPH08238243A (ja) | 超音波画像処理装置の自己試験方法及び該試験手段を有する超音波画像処理装置 | |
Wilcox | Ultrasonic arrays in NDE: Beyond the B-scan | |
Radulescu et al. | Calibration of ultrasonic hydrophone probes up to 100 MHz using time gating frequency analysis and finite amplitude waves | |
CN110967408A (zh) | 一种测量空气耦合超声探头灵敏度的装置及方法 | |
TWI678191B (zh) | 測量聲學換能器之特徵環路靈敏度的方法與系統 | |
Lyu et al. | A simplified integration of multi-channel ultrasonic guided wave system for phased array detection and total focusing imaging | |
Rich et al. | Methods to calibrate the absolute receive sensitivity of single-element, focused transducers | |
TWI667489B (zh) | 測定聲學換能器最佳驅動信號之方法與系統 | |
TWI678192B (zh) | 測量聲學換能器之寬頻環路靈敏度的方法與系統 | |
Hurrell et al. | A two-dimensional hydrophone array using piezoelectric PVDF | |
Opielinski et al. | The effect of crosstalk in a circular transducer array on ultrasound transmission tomography of breast | |
JP5305093B2 (ja) | 音響インピーダンス測定方法、音響インピーダンス測定装置、物体特性評価方法、及び物体特性評価装置 | |
Huang et al. | Characterization of very high frequency transducers with wire target and hydrophone | |
Huang et al. | Characterization of high-frequency, single-element focused transducers with wire target and hydrophone | |
Kumru et al. | Ultrasonic array characterization in multiscattering and attenuating media using pin targets | |
Yang et al. | Highly sensitive PZT transducer with integrated miniature amplifier for photoacoustic imaging | |
JP2016527020A (ja) | 音響電気撮像方法およびデバイス | |
JPS6133511B2 (zh) | ||
Slotwinski | Measurement interpretation and uncertainty resulting from nonlinear ultrasonic wave propagation | |
Xing et al. | Measure low level and high frequency ultrasonic power by self-reciprocity technique | |
JPS60246740A (ja) | 超音波診断装置 | |
Kharin et al. | Application of the Born-approximation deconvolved inverse scattering (BADIS) method to second harmonic imaging |