单阵元圆形超声换能器辐射声场分布特性测试与分析1

生物医学超声实验报告实验二单阵元圆形超声换能器辐射声场分布特性测试与分析-1-实验二单阵元圆形超声换能器辐射声场分布特性测试与分析李武松生基硕8108123011一、实验目的1、复习单阵元超声换能器声场分布特性的理论知识，包括单阵元圆形聚焦和非聚焦换能器。2、学习利用针式水听器测试换能器声场特性的原理及方法。3、利用实验室Panametrics多扫描系统测量5MHz、3.5MHz、2.25MHz、1MHz聚焦或非聚焦Panametircs换能器声场分布，掌握实验过程和数据的计算机处理方法。4、比较同频率聚焦换能器与非聚焦换能器的声场特性；比较不同频率的聚焦换能器的声场特性、不同频率的非聚焦换能器的声场特性，并分析声场特性随频率的变化规律；二、数学物理原理Ⅰ诊断超声换能器的声场特性超声辐射场是指超声能量分布的空间，即超声换能器所发射的超声波到达的区域，接受超声治疗与检测的区域均属于超声场的部分。各种换能器辐射的超声场取决于换能器本身的特性、尺寸、形状等。1.单阵元非聚焦超声换能器的声场特性根据声学理论，一个有限尺寸的换能器或阵的辐射声场，可以按照惠更斯原理进行分析，即将换能器或阵的有效辐射面，看作是无数点声源的组合。辐射声场中某一点的声压是辐射面上所有的点源在该点产生的声压叠加的结果，因而可以通过对整个辐射面的积分来计算，如图1所示。图1圆片换能器轴向辐射对于实验所用的单源圆形平面换能器，其轴线上任意一点的声压公式为：122202sin[()]sin()zppazztka(1)其中，0p为声源处起始声压；a为圆片半径；z为该点距离声源的距离；为角频率；2k，为波长，声压随时间作周期性变化。声压振幅：zxaOdszrmyzxaOdszrmaOdszrmy生物医学超声实验报告实验二单阵元圆形超声换能器辐射声场分布特性测试与分析-2-122202sin[()]mppazz(2)当2za时，202sin()2mappz(3)又当23az时，22sin()22aazz，所以200mpapSpzz（2Sa，即圆盘面积）(4)从上式可以看出，mp与z成反比，即当z足够大(23az)时，圆形声源轴线上的声压随距离的增加而衰减，如图2：图2圆片换能器（a）声束（b）轴线上声压分布在近场有极大极小值，这是由于在靠近声源处，换能器平面边缘和平面中心辐射声波到达轴线上某点波程差不同引起声波相互干涉的结果。最后一个极大值点位置为:2244NaZ(5)如果2a，则化简为:2NaZ(6)轴上最后一个极大值的位置Nz常被作为近场和远场的分界点，自Nz开始，声束开始扩散，扩散角为2(=arcsin1.22λ/d)。2.单阵元凹面球壳形聚焦换能器的声场特性在超声诊断中，为了得到较好的分辨率，将尺寸较小的不同组织正确无误的区分开来，要求超声波瓣要窄，而单阵元换能器产生的波束较宽，因而要采用聚焦的方法使波束变窄，目前常用的聚焦方法包括：声透镜聚焦、声反射镜聚焦和利用曲面换能器直接发射聚焦声束等三种方法。本次实验用的聚焦换能器采用的是第三种方法——利用曲面换能器直接发射聚焦声束。对于单阵元聚焦球形换能器，球面半径为a，焦距为R，则焦平面上的声压场为：200100(,)()cos(())araprtcjinctrRR(7)其中22rxy，0是换能器表面粒子振动的幅度，002/c是超声波长，1()(2)/jincxJxx，1()J是一阶贝塞尔柱函数。焦平面上声压幅值分布为：2.5z/zN换能器半扩散角近场远场(a)(b)θ2a2100.511.52盲区pm/p02.5z/zN换能器半扩散角近场远场近场远场(a)(b)θ2a2100.511.52盲区pm/p0θ2a2100.511.52盲区pm/p0生物医学超声实验报告实验二单阵元圆形超声换能器辐射声场分布特性测试与分析-3-2000()()araprcjincRR(8)ⅡPVDF针式水听器（PVDFNeedleHydrophone）水听器是把水下声压信号转换为电信号的换能器。当压电材料上的压力(声扰动)发生变化时，压电材料内部的电荷分布就会成比例地发生变化并且会以电压信号的形式体现出来，因此可通过压电元件表面上的电极提取这些电荷，经电压放大器或电荷放大器放大后，由信号处理示波器显示出能反映声波波形的图像,这样就以很直接的方法完成了超声声场中声压的测量。PVDF材料由于灵敏度高和声阻抗优在电声换能器得到广泛应用。PVDF针式水听器是针形的。针式水听器由于直径很小因而可检测测量点的声压，实际上是针式水听器直径尺寸范围的平均声压；原则上针式水听器的直径越小越好，至少小于声场的1个波长，如15MHz的声场，则针式水听器的直径要小于0.1mm。Ⅲ计算公式1.电压转声压公式实验中测量到的数据是电压，由电压到声压的转换公式如下p=Voltage_range×(U−Voltage_offset)转换效率×10(28+sensitivy)/20(9)上式中，p为声场中某一点所对应的声压值，单位为Pa；U为MULTISCAN5800系统在该点采集到的电压值，单位为V；转换效率:单位为v/Pa（根据使用的水听器而定，见水听器说明书）；转换后的信号经前置放大器、辅助放大器放大倍数为28倍；Sensitivity：5800系统内部增益，单位dB；Voltage_range：表示每单元格内显示的电压值；Voltage_offset：电压偏移量，单位V，注意参数Voltage_offse、Voltage_range和Sensitivity都是5800系统的内部参数，计算的时候可从获取的头文件中得到。2.SPTPI的计算SPTPI为空间峰值时间峰值声强。其计算公式为：2max[max()]SPTPStpIc(10)其中为媒质(水)的密度，c为声速，p为该平面上任意一点的瞬时声压。3.SPTAI的计算SPTAI为空间峰值时间平均声强，它是扫描平面上时间平均声强的最大值：21221max[()/()]tSPTAtSpIdtttc(11)其中S为扫描平面，p为该平面上任意一点的瞬时声压，12,tt为积分区间，积分区间应包括生物医学超声实验报告实验二单阵元圆形超声换能器辐射声场分布特性测试与分析-4-整数个周期。4.-3dB波束宽度的计算对于每种换能器的各个测试截面，当声强分布稳定时，计算声强的-3dB波束宽度来衡量波束的宽窄。它定义为焦平面上声强值下降到最大值的0.707倍时所对应的宽度。三、实验仪器与材料本次实验的实验任务：利用实验室Panamerics多扫描系统和针式水听器对不同频率单阵元换能器（聚焦和非聚焦）及线阵换能器。在横向面上，对于聚焦换能器，测试5个横向平面的声场分布，包括近场平面，焦平面以及远场平面。对于非聚焦换能器，选择的平面应涵盖从近场到远场的范围，即4个横向平面。1.实验系统实验系统主要由三部分组成，Panametrics多扫描系统（Model5800和多扫描机械装置）、信号接收装置（水听器、前置放大器与直流耦合）及信号显示与处理部分（PC机与处理软件）。超声诊断换能器(包括2.25MHz聚焦换能器、2.25MHz非聚焦换能器、5MHz聚焦换能器、5MHz非聚焦换能器、3.5M非聚焦换能器)测量系统具体连接方式如图3所示：MULTISCAN5800系统PC机可移动滑杆MULTISCAN5800系统主机水槽DC耦合Panametrics换能器辅助放大器水听器前置放大器机械扫描控制MULTISCAN5800系统机械扫描装置ComputerControlledPulser/Receiver系统操作面板X,Y坐标显示面板图3实验系统图2.实验器材1)超声换能器实验选取五种不同的换能器，如表1所示：表1换能器型号及标称参数中心频率/MHz聚焦性能焦距/mm型号编号2.25聚焦38V306274840生物医学超声实验报告实验二单阵元圆形超声换能器辐射声场分布特性测试与分析-5-2.25非聚焦——V306——5聚焦100V3092537895非聚焦——V3093479293.5非聚焦——————2)水听器的基本连接电路针式水听器及其原理图如下所示：(a)针式水听器外观图(b)针式水听器原理结构图图4针式水听器结构及外形由于水听器针尖的聚偏氟乙烯薄膜非常脆弱，因此使用针式水听器时注意不能用手或任何其他物体碰水听器针尖。清洗水听器时，用蒸馏水轻轻冲洗。通常针式水听器使用时需要配以水浸式前置放大器，DC耦合器以及水听器辅助放大器。它们分别介绍如下：图5针式水听器前置放大器前置放大器（SubmersiblePreamplifier）的作用是放大水听器接收到的声信号。直流耦合（DCCoupler）的作用是提供直流电压，驱动前置放大器；以及作为前置放大器和测量系统之间的声信号耦合器。由于水听器的输出信号一般非常微弱，因此在将其输入采集和显示系统前，通常还需要经过一个水听器辅助放大器，进一步放大水听器接收到的信号。3)Panametrics多扫描系统实验中使用的Panametrics多扫描系统是美国泛美公司生产的高分辨率扫描系统，包括水侵槽（70cm*70cm*50cm）和安装在其上的可移动XY扫描器、数据采集和运动控制仪生物医学超声实验报告实验二单阵元圆形超声换能器辐射声场分布特性测试与分析-6-器、计算机控制的脉冲发射接收器5800以及相关计算机控制和分析软件。四、实验步骤1、5MHz聚焦换能器声场的测定（a）固定水听器支架于水槽底部，将前置放大器固定于支架上，并使其垂直向上；装好水听器针头，使其垂直于水槽的底面；将5MHz聚焦换能器固定于5800系统机械扫描装置的滑杆上。（b)按照图3进行连线，仔细检查各个仪器是否连接正确。（c)往水槽内注入自来水，直到离水槽边缘处10–15cm左右处停止；上下调节换能器的高度，使换能器与针头之间的距离大概为10cm（因为5MHz聚焦换能器的焦距大概为10cm）；观察换能器表面是否有气泡，如果有，则用毛笔轻轻扫去；注意在清扫的过程中，千万不能碰到水听器针头。（d)打开MULTISCAN5800系统的PC机；然后从上到下的顺序依次打开5800系统主开关（白色拨动开关）、运动装置开关（钥匙开关）、5800系统X,Y坐标控制开关（两个绿色拨动开关），检查各项指标是否正常。在PC机上点击软件Multiscan，进入相应的软件处理控制系统。（e)调节5800机械扫描控制系统的X，Y坐标，移动滑竿的位置，使滑竿上固定的换能器大致对准下方的水听器。（f)在软件Multiscan上通过utsetup-scope-on进入参数设置界面，设置各项参数（输入、输出衰减、能量、PRF等），以及换能器工作模式（UTmode）；精细调节滑竿的X，Y坐标，直到看到最大的回波信号,设此时的X，Y坐标为原点位置；然后上下调节滑竿，直到信号最大为止，此时就是焦点的位置。（g)设定扫描的时间范围、时间间隔、扫描范围、扫描间隔、原点位置以及阈值线（level）的位置（实验时扫描范围为X（-10，10），Y（-10，10），精度都是0.2）。各项指标都调好后，可以执行扫描程序，即得到了5MHz聚焦换能器在焦平面处的声场分布并保存。（h)扫描结束后，通过Motion-Move-Locate命令，用鼠标在刚得到的扫描图上重新确定扫描平面的原点位置，此时的位置为精确的原点位置。（i)上下调节滑竿位置，重复步骤(g),(h)，测量5MHz聚焦换能器的近场（两个截面）以及远场（两个截面）的声场分布。2、5MHz非聚焦换能器声场的测定（a)将5800系统机械扫描装置滑竿上的5MHz聚焦换能器移出水槽，擦干后取下放入换能器盒，换成5MHz非聚焦换能器；更换过程中要小心谨慎，手尽量不要碰到换能器的表面，并且要拧紧，不能让换能器连接处进水。（b)重复5MHz聚焦换能器声场测定实验的步骤(g),(h),(i)，