（生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)論文）高強度聚焦超聲測量水聽器及其校準(zhǔn)技術(shù)研究.pdf

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 波的非線性傳播法等校準(zhǔn)技術(shù)的原理做了逐一介紹。就本人目前 所能檢索到的文獻(xiàn)而言，水聽器的時間延遲譜分析( t d s ) 校準(zhǔn)法 在國內(nèi)的文獻(xiàn)中還沒有見到。 3 水聽器的實驗校準(zhǔn)及其結(jié)果分析：本章重點對兩個水聽器的互易 校準(zhǔn)法和高強度聚焦水聽器的平面掃查校準(zhǔn)法實驗裝置、實驗步 驟及其結(jié)果分析進(jìn)行了論述，使本文的讀者對水聽器的校準(zhǔn)技術(shù) 在第二章原理敘述的基礎(chǔ)上獲得更加具體的感性認(rèn)識。 4 新型高強度水聽器設(shè)計的理論研究：本章內(nèi)容是我工作的重點， 主要介紹了一種利用變幅桿原理，使用不銹鋼材料作為主體的適 用于高強度聚焦超聲場測量的特殊設(shè)計的水聽器靈敏度的理論計 算。給出了該種類型靈敏度的表達(dá)式以及某一特定尺寸水聽器靈 敏度的具體數(shù)值，并與實驗校準(zhǔn)得到的水聽器靈敏度進(jìn)行了比較。 5 聲場測量中允許的水聽器最大尺寸的研究：在該章中，本人參閱 有關(guān)文獻(xiàn)，利用基于聲傳播路徑的兩個標(biāo)準(zhǔn)，分別得出了測量平 面活塞發(fā)射換能器聲軸上聲場的水聽器所允許的最大尺寸。并以 此為依據(jù)得出了一些相關(guān)的結(jié)論。 關(guān)鍵詞；水聽器，校準(zhǔn)技術(shù)，高強度聚焦超聲，衍射系數(shù)，最大尺寸 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t t h es t u d yo fh y d r o p h o n es u i t a b l ef o rh i g h i n t e n s i t yf u c u s e du l t r a s o u n dm e a s u r e m e n t a n dc a l i b r a t i o nt e c h n i q u e s a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , d i f f e r e n tt y p e s o fh y d r o p h o n e sa n dt h er e l a t i n g c a l i b r a t i o nt e c h n i q u e sa r er e v i e w e db a s e do ne x t e n s i v e l yc o n s u l t i n g l i t e r a t u r e sb o t hi n s i d ea n do u t s i d ec h i n a s o m ee x p e r i m e n t si n c l u d i n gt h e e x p e r i m e n t a ls e t , a p p r o a c h e sa n dr e s u l ta n a l y s i sa r ea l s og i v e n b e s i d e s ，i c a l c u l a t e dt h ed i f f r a c t i o nc o r r e c t i v ef a c t o ro fr e c i p r o c i t yp a r a m e t e ri n c o n v e r g e n ts p h e r i c a la c o u s t i cw a v eo ff o c u s i n gt r a n s d u c e rl l s i n gi m p u l s e r e s p o n s ei n t e g r a lm e t h o d ，a n dc o m p a r i n gt h er e s u l t sw i t ht h o s ec a l c u l a t e d u s i n gr a y l e i g hi n t e g r a lm e t h o d ia l s oc a l c u l a t e dt h es e n s i t i v i t yo f ak i n d o fs p e c i a ld e s i g n e dh y d r o p h o n eu s e df o rh i f um e a s u r e m e n ta n dt h e p e r m i s s i b l em a x i m u mh y d r o p h o n es i z ei nu l t r a s o n i cm e a s u r a m e n t t h ef o l l o w i n g sa r et h er e c a p i t u l a t i o no f m a i np o i n t so f e a c h c h a p t e r 1 s u m m a r i z i n go fh y d r o p h o n e sr e s e a r c h ：t h i sc h a p t e rd i s c u s s e sv a r i o u s h y d r o p h o n e s ，i n c l u d i n gn e e d l e - t y p eh y d r o p h o n e s ，p v d fm e m b r a n e h y d r o p h o n e s ，m u l t i e l e m e n th y d r o p h o n e s ，o p t i c a lf i b e rh y d r o p h o n e s a n dh y d r o p h o n e sf o rs p e c i a lu s e s o m ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa n d t h eu s i n gn o t i c e sa r ea l s og i v e n 2 c a l i b r a t i o n t e c h n i q u e s o fh y d r o p h o n e s ：i nt h i s c h a p t e r , v a r i o u s c a l i b r a t i o nt e c h n i q u e si n c l u d i n gr e c i p r o c i t y , a c o u s t i cf i e l ds c a n n i n g ， i i i 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 o p t i c a li n t e r f e r o m e t r y , t i m e - d e l a ys p e c t r o m e t r ya n da c o u s t i cw a v e s n o n - l i n e a rp r o p a g a t i o na l ed e s c r i b e di nd e t a i l 3 e x p e r i m e n t a lc a l i b r a t i o no fh y d r o p h o n e sa n dt h er e s u l t sa n a l y s i s ：i f o c u s e do nt h ee x p e r i m e n t a ls e t u p ，e x p e r i m e n t a ls t e p sa n dr e s u l t s a n a l y s i so fr e c i p r o c i t yc a l i b r a t i o nt e c h n i q u ea n dp l a n a rs c a n n i n g c a l i b r a t i o nt e c h n i q u ei nt h i sc h a p t e r t h r o u g ht h e s ed e s c r i p t i o n s ， r e a d e r sc a nh a v eam o r ec o n c r e t eu n d e r s t a n d i n ga b o u tc a l i b r a t i o n t e c h n i q u e s 4 s t u d yo ft h e o r ya n a l y s i sa b o u tan e ws t y l eo fh y d r o p h o n e sf o rh i f u o r d i n a r i l yd e s i g n e dh y d r o p h o n e sa r ee a s i l yd a m a g e dw h e nu s e di n m e a s u r i n gh i f uf i e l d i nt h i sc h a p t e r , t h ee x p r e s s i o no ft h et r a n s f e r f u n c t i o no fak i n do fn e w d e s i g n e dp v d fh y d r o p h o n ei sg i v e na n di t s t h e o r e t i c a ls e n s i t i v i t yi sc a l c u l a t e d 5 s t u d yo fp e r m i s s i b l em a x i m u mh y d r o p h o n es i z e ：t h i sc h a p t e rg i v e s 觚i n t r o d u c t i o nt ot h ep e r m i s s i b l em a x i m u mh y d r o p h o n es i z ei n u l t r a s o n i cm e a s u r e m e n ta n dt h ep e r m i s s i b l em a x i m u mh y d r o p h o n e s i z e sw h e nu s e dt om e a s u r et h es o u n df i e l do fac i r c u l a rp l a n ep i s t o n s o u r c ea r ed e r i v e db a s e do nt w oc r i t e r i ao fu l t r a s o u n dp r o p a g a t i o n p a t h s 。a n ds e v e r a lc o n c l u s i o n sa r eg i v e nb a s e do nt h ec a l c u l a t i o n bw 砒：i h y d r o p h o n e ，c a l i b r a t i o nt e c h n i q u e , m f u ，d i 觚t i o n c o r r e c t i v ef a c t o r , m a x i m u mh y d r o p h o n es i z e i v 附件四 上海交通大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下， 獨立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本 論文不包含任何其他個人或集體己經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本 文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名：鴦翻年 日期：如 年f 月怕 附件五 上海交通大學(xué) 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)上海交通大學(xué)可以將本學(xué)位論文的 全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃 描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 五“ 保密耐，在三垂三年解密后適用本授權(quán)書。 本學(xué)位論文屬于 不保密口。 ( 請在以上方框內(nèi)打“”) 學(xué)位論文作者簽名：劣翮季 日期：如? 年f 月f ，日 知忡 名 亭 鶘 碑 師 胗 粼 眇 戢 期 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 第一章水聽器研究概述 近年來，由于醫(yī)療超聲設(shè)備的不斷發(fā)展，對聲場的空間和時間特性進(jìn)行定量 測量的要求也不斷提高。這些不斷提高的需求促進(jìn)了水聽器的發(fā)展。水聽器是用 于超聲測量的接收換能器，它把水中的聲壓信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，供記錄、處理 和分析。理想的水聽器需要具備以下幾個方面的特性：尺寸小、靈敏度高、全方 向性、穩(wěn)定、寬帶平整的頻率響應(yīng)、非擾動結(jié)構(gòu)以及線性等。但實際應(yīng)用中的水 聽器不可能達(dá)到以上所有的要求。如典型水聽器的靈敏區(qū)直徑為0 5 唧至1 o m m ， 這個尺寸與超聲波的波長相當(dāng)，但不比波長小。這就使所有的水聽器都有一定的 指向性，從而在測量中的定位問題顯的尤其重要。近些年也研制了靈敏區(qū)較小的 水聽器，但其生產(chǎn)制造要復(fù)雜很多，并且，一般來說，靈敏區(qū)越小，靈敏度越低。 所以在設(shè)計水聽器時要綜合考慮各種因素的影響。 水聽器的種類很多，但在超聲設(shè)備的聲場測量中使用的是用壓電高分子聚合 物聚偏氟乙烯( p v d f ) 薄膜或壓電陶瓷制成的寬頻帶亞微型水聽器。用來測定超 聲場的聲壓波形及其空間分布，校準(zhǔn)換能器和測定超聲劑量等。 1 1 水聽器的類型 超聲中常用的水聽器主要是針狀水聽器和p v d f 薄膜水聽器。近些年又發(fā)展 起來了多元水聽器以及二維水聽器陣等，下面分別加以介紹。 i i 1 針狀水聽器 針狀水聽器由安裝在針狀金屬細(xì)圓管端部的圓片形壓電元件( p v d f 或壓電 陶瓷) 和圓管形殼體及電纜等組成。其外形有圓柱形、注射針形和鉛筆形等幾種。 圖卜i 示出針狀水聽器的外形和端部結(jié)構(gòu)。壓電靈敏元件緊貼外殼端部，其背面 有信號引線引出信號并在元件背面襯以聲吸收的背襯材料，以消除不需要的內(nèi)部 的聲反射。靈敏元件的直徑為0 5 r a m - 1 5 m ，甚至更小。 直徑為i m m 的p v d f 壓電薄膜針狀水聽器帶有1 m 長電纜時，其水聽器電纜端 開路靈敏度的典型值為0 卜0 1 2 zv p a “1 。裝配好的諧振頻率低于2 5 m h z ，精 心設(shè)計的探針頻響特性很平滑，起伏在1 5 d b 范圍內(nèi)，指向性特性近于理論預(yù) 測特性。 直徑為i m m 的壓電陶瓷針狀水聽器帶l m 長電纜時其水聽器電纜端開路靈敏 度的典型值為0 6 7 4 zv p a m 。精心設(shè)計其相對平坦的頻率響應(yīng)可達(dá)6 l 吁i z 左右。 但由于陶瓷圓片的徑向振動模式的高階諧振和背襯材料中的混響導(dǎo)致其頻響在 0 5 - 1 5 m h z 間起伏可達(dá)l o d b 。此外，大部分有用的陶瓷水聽器的指向特性常常 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 與理論預(yù)測有較明顯的不同。 圖1 - 1 針狀水聽器的外形和構(gòu)造i l j f i g 1 1o u t l i n ea n ds t r u c t u r eo f n e e d l e - t y p eh y d r o p h o n e l 一一靈敏元件；2 一一背襯材料；3 一一引線；4 一一支撐管；5 一一外殼 1 1 2p v d f 薄膜水聽器 p v d f 薄膜水聽器由一層或兩層緊繃在圓形框架上的p v d f 薄膜構(gòu)成。薄膜的 兩個表面上蒸鍍上金屬電極，在電極重迭區(qū)域進(jìn)行極化處理，形成靈敏區(qū)域。依 其電極可有共平面屏蔽型、雙層型和差分輸出型三種類型。圖卜2 示出三種薄膜 水昕器的電極結(jié)構(gòu)簡圖和共平面屏蔽型水聽器的外形結(jié)構(gòu)。 共平面 屏蔽型 雙層屏 蔽型 差動 輸出型 圖蒸圖 金屑餃層。 口端部表面鍍層一極化區(qū) e 雙層型下表面e 墨在兩二外表面 墓要膜之問的 上接地鍍層 鏈層 “) ( b ) 圖l 一2p v d f 薄膜水聽器的外型和三種電板結(jié)構(gòu)【l 】 f i g 1 2o u t l i n eo f p v d fm e m b r a n eh y d r o p h o n ea n ds t r u c t u r eo f t h r e et y p ee l e c t r o d e s ( a ) 共平面屏蔽型p v d f 薄膜水聽器的結(jié)構(gòu)圖( b ) 三種電板結(jié)構(gòu)圖 1 一一靈敏區(qū)( 1 m m 直徑) ；2 一一p v d f 薄膜； 3 一一支撐環(huán)：4 一一同軸電纜 2 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 直徑為l m m 靈敏區(qū)域的p v d f 薄膜水昕器，電纜( 長度0 7 m ) 端開路靈敏度約 為0 1 0 lv p a ，當(dāng)厚度為0 0 2 5 m m 時，其諧振頻率約為4 0 9 h z 。指向性特性在 所有頻率下均可在理論上預(yù)測。這種水聽器透聲性能很好，幾乎不擾動聲場，由 于薄膜直徑達(dá)l o o m ，其框架不進(jìn)入聲場，聲場畸變小。在兆赫頻率范圍內(nèi)，其 徑向共振模式可以忽略，展現(xiàn)平滑的頻率響應(yīng)?？傊瑢β晥鲂盘柕臋z測保真度 最高。對醫(yī)學(xué)超聲劑量測定具有特殊意義，為其它水聽器所不及。 p v d f 薄膜水聽器是目前國際上使用最多，應(yīng)用最廣泛的水聽器。但相比于 壓電陶瓷制成的水聽器，p v d f 水昕器的靈敏度較低。通過增加p v d f 薄膜的厚度 可以提高水聽器的靈敏度，而單張的較厚的p v d f 膜強度不夠，在極化階段很容 易斷裂。所以為得到較厚的p v d f 薄膜，可以把幾片較薄的p v d f 膜重疊放置( 通 常是厚度2 5 一朋的膜) 。通過迭放p v d f 薄膜，不但可以使靈敏度成倍提高，還 可以通過“雙?！狈椒ò阉犉髦瞥善帘谓Y(jié)構(gòu)。 昌腳m 枷訂w 醒m s t 詘 l i v e + 一。 m h l a t y e ；i 量殿：。 i nt h i c k n e s s 2 曩t p v d fl a m i n a t e ( z l l u s t r a t e dc a s e ：f 4 ) 圖卜3p v d f 多層結(jié)構(gòu)示意圖 f i g 1 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f p v d fm u l t i l a y e rs t r u c t u r e e a r t h l e t a l l i z e d p v i ) fl a y e r 匕= = ：= l 黑差翼。黝之。 圖1 - 42x3 2 5 的多層p v d f 結(jié)構(gòu)示意圖 f i g 1 4s c h e m m i cd i a g r a ms h o w i n ga2 x 3 x 2 5m u l t i l a y e rp v d fs t r u c t u r e 3 一 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 雙棧迭片式結(jié)構(gòu)的示意圖如圖1 - 3 所示，其中每一個棧又由多片p v d f 膜組 成。圖卜4 所示為一個2 3 2 5 m f p v d f 結(jié)構(gòu)( 表示共有2 個棧，每棧有3 個p v d f 基膜，每個薄膜的厚度為2 5 a n ) ，圖中顯示了用金屬處理過的p v d f 層與p v d f 的插入層( 在外表面起保護(hù)作用) 共同組成的重疊式結(jié)構(gòu)。 1 1 3 多元水聽器 應(yīng)用在p v d f 壓電薄膜上放置電極制成水聽器的另一個優(yōu)點就是可以使一個 壓電p v d f 薄膜水聽器具有多個接收靈敏區(qū)，如n p l 超聲束校準(zhǔn)器。在n p l 超聲 束校準(zhǔn)器的中心是一個雙層屏蔽型的薄膜水聽器，具有2 1 個靈敏區(qū)，每個靈敏 區(qū)的直徑為0 4 m m ，以中心距離為0 6 m m 相間分布。每個靈敏元都有自己獨立的 放大通道，每個通道連接著一個快速數(shù)字轉(zhuǎn)換器，以6 0 m h z 的速率采樣。用一臺 p c a t 的微型計算機控制整個系統(tǒng)。圖1 - 5 給出了整個系統(tǒng)的示意原理圖。 2 ，一t ，# 7 【i 慕 卜卜l t 辦 喜l m 叫i卜斗 一一”廠釜： 瞄l 磊耐 ，? - ：it 一。 、 ， i ， 圖1 - 5n p l 超聲束校準(zhǔn)器的原理示意圖 f i g 1 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h en p lu l t r a s o u n db e a mc a l i b r a t o r 在多元水聽器中，除了如n p l 超聲束校準(zhǔn)器外，還有由“精確聲學(xué)有限公司” ( p r e c i s i o n a c o u s t i c sl t d 【3 1 ) 用壓電p v d f 研制的二維水聽器陣，又稱聲成像儀。 4 燃 ) ) 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章 聲成像儀是基于一個集成了6 4 個獨立水聽器的水中傳感單元，每個水聽器產(chǎn)生 的信號在綜合之前都進(jìn)行了緩沖。最終信號的輸出是通過一根阻值為5 0 q 的電 纜線，以供控制和采集單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 圖卜6 聲成像儀方框圖“3 f i g 1 - 6b l o c kd i a g r a mo ft h ea c o u s t i ci m a g e r 聲成像儀的框圖如圖i - 6 所示。更加具體和詳細(xì)的情況請參閱文獻(xiàn) 4 】。 1 1 4 光纖水聽器 光纖水聽器作為一種多用途的聲一光檢測器，具有巨大的潛力。 自7 0 年代中期，美國的j a b u c a r o 首先提出在反潛戰(zhàn)中利用光纖作換能器， 研制光纖水聽器，研究證明新技術(shù)不僅可以克服壓電陶瓷及p v d f 水聽器的許多 不足之處，而且證明光纖水聽器具有十分誘人的技術(shù)特點【5 】 1 ) 聲壓靈敏度高； 2 ) 頻帶寬； 3 ) 可制成任意的形狀： 4 ) 與壓電水聽器相比，它不存在阻抗匹配問題，不受電磁干擾，不受尺寸和 形狀的限制； 5 ) 其靈敏度不受流體靜壓力和頻率的影響，可用于高靜水壓下； 6 ) 重量輕： 7 ) 兼具信息傳感與光信息傳輸于一身。 光纖水聽器經(jīng)2 0 多年的研究，至今以有幾十種不同類型的系統(tǒng)。從聲傳感 的機理上看，約可分為強度型、偏振型和相位干涉型三大類。其中以相位干涉型 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 光纖水聽器應(yīng)用最為廣泛?，F(xiàn)代的光纖水聽器悉指相位干涉型而言的。這種干涉 型水聽器僅就其測量靈敏度而言，就比壓電水聽器高出三個數(shù)量級左右。 一種光纖傳感器的頭部結(jié)構(gòu)如圖卜7 所示【6 】。圖中的黑色區(qū)域代表光的傳播 路徑。 圖l 一7 一種光纖傳感器的頭部結(jié)構(gòu) f i g 1 - 7s c h e m a t i co f o p t i c a lf i b e rs e n s o rh e a d 作者所在上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系超聲實驗室做了一些用光纖端面法 測量超聲場聲壓的研究，也是一種光纖傳感器技術(shù)，具體的詳細(xì)內(nèi)容請參閱參考 文獻(xiàn) 7 中的相關(guān)內(nèi)容。 1 1 5 用于測量沖擊波的水聽器 震波碎石機所產(chǎn)生的聚焦聲場，其峰值聲壓可達(dá)2 0 m p a 以上，并且上升時間 小于5 0 n s 。所以若要對它的聲場進(jìn)行測量，所用的水聽器必須要有特殊的結(jié)構(gòu) 以適應(yīng)如此高強度的聲場。 壓電聚合物p v d f 制成的水聽器由于其頻帶寬，易制作等優(yōu)點而被廣泛地應(yīng) 用，并且他們可以在壓力達(dá)到7 0 m p a 以上時還有很好的動態(tài)響應(yīng)。因此p v d f 薄 膜本身可以承受沖擊波所產(chǎn)生的聲場，然而由于金屬在薄膜表面的黏附力較差， 使得普通設(shè)計的p v d f 薄膜水聽器在用于沖擊波聲場測量時，其金屬電極容易剝 落。同時，金屬在薄膜表面的黏附力較差也是沖擊波測量中水聽器靈敏度下降的 主要原因。為克服這一困難，必須采用新的p v d f 水聽器設(shè)計方法。 適用于震波聲場測量的水聽器設(shè)計思想是使p v d f 靈敏區(qū)和電極在空間上相 分離。p v d f 靈敏區(qū)接收到的信號通過非導(dǎo)電性液體媒質(zhì)耦合到金屬電極，再通 過電極把信號輸出。 新型設(shè)計的沖擊波水聽器的原理如圖卜8 所示。p v d f 箔片的平面垂直于沖 擊波的傳播方向，p v d f 箔片與兩個電極完全浸入水中。水聽器的結(jié)構(gòu)示意圖如 圖1 - 9 所示，由于在水聽器設(shè)計中p v d f 箔片與電極相分離，我們把這種水聽器 稱為“非接觸型水聽器”。 6 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 蝴f o i l l 廠。刃 爿墨。! 爻； 鷂c 如 c o t 、 p o l a r i z e 圖卜8 通過容性耦合的p v d f 沖擊波水聽器原理圖【8 l f i g 1 8 p r i n c i p l e o f a p v d fs h o c k w a v e h y d r o p h o n e w i t hc a p a c i t i v ec o u p l i n g 圖卜9 一種非接觸p v d f 沖擊渡水聽器結(jié)構(gòu)圖【8 j f i g 1 - 9c o n s t m c t i o no f t h ec o n t a c t l e s sp v d fh y d r o p h o n ef o rs h o c kw a v e s 1 2 水聽器的性能參數(shù) 水聽器的性能參數(shù)主要有以下幾個： ( 1 ) 靈敏度：電纜端自由場電壓靈敏度( 級) 、頻率響應(yīng)、溫度穩(wěn)定性、時間 穩(wěn)定性。 ( 2 ) 指向性：指向性開角。 ( 3 ) 電特性：電纜長度、電屏蔽狀況、電纜末端電容量、泄漏電阻。 ( 4 ) 機械特性：靈敏元件的材料、尺寸，水聽器的主要尺寸，基本厚度振動 共振頻率，暴露材料類型，耐腐蝕性，可濕潤性，不相容材料限制等。 典型水聽器的性能參數(shù)見表卜1 。 1 2 1 水聽器的靈敏度 7 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 在水聽器的各性能參數(shù)中，靈敏度是一個非常重要的參數(shù)，也是水聽器用來 進(jìn)行聲場測量的基礎(chǔ)。水聽器的靈敏度即水聽器的電壓一聲壓轉(zhuǎn)換系數(shù)，它是頻 率的函數(shù)。它對水聽器的測量效果有較大的影響。一般理想的水聽器靈敏度應(yīng)該 是在所測的可能頻率范圍內(nèi)都應(yīng)該呈線性關(guān)系，并且不同頻率點上的靈敏度也要 求相同。如圖1 - 1 0 和卜1 1 所示。 v p a 圖卜1 0 理想水聽器電壓一聲壓轉(zhuǎn)換關(guān)系 f i g 1 1 0r e l a t i o nb e t w e e nt h eo u t p u t o f i d e a lh y d r o p h o n ea n dp r e s s u r e f 圖卜1 1 理想水聽器靈敏度與頻率的關(guān)系 f i g 1 - 1 1r e l a t i o n b e t w e e n t h es e n s i t i v i t y o f i d e a lh y d r o p h o n ea n df r e q u e n c y 但實際上由于制造工藝和水聽器材料本身的關(guān)系，許多水聽器不能達(dá)到這種 要求，例如人們常用的p z t 水聽器，這種傳感器的線性頻率范圍就比較小，并且 即使在同一頻率內(nèi)，當(dāng)聲壓較大時，輸出電壓也不能保持線性關(guān)系，而達(dá)到飽和。 并且實際應(yīng)用中的水聽器靈敏度隨頻率也有一定的波動。如圖1 1 2 和1 1 3 所示。 v 圖1 1 2 實際的水聽器輸出與聲場的關(guān)系 f i g 1 - 1 2r e l a t i o nb e t w e e n t h eo u t p u t o f r e a lh y d r o p h o n ea n dp r e s s u r e f 圖1 - 1 3 實際的水聽器靈敏度與頻率的關(guān)系 f i g 1 1 3r e l a t i o nb e t w e e nt h es e n s i t i v i t y o f r e a lh y d r o p h o n ea n df r e q u e n c y 水聽器靈敏度的獲取稱為水聽器的校準(zhǔn)，在下面的章節(jié)中，文章將詳細(xì)討論 水聽器的各種校準(zhǔn)方法，并給出我們在實驗中的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。 1 2 2 水聽器的指向性 水聽器的指向性是我們在使用水聽器時必須重點考慮的另一個性能參數(shù)，它 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 對水聽器的輸出有重要影響。當(dāng)水聽器的接收面尺寸與聲波波長相比較小時，我 們可以近似認(rèn)為它是沒有指向性的( 圓形指向性) 。而實際中我們所用的水聽器 尺寸與聲波波長相比相當(dāng)，這使得水聽器具有一定的指向性。因此如果水聽器的 接收角度不當(dāng)，正好位于指向性角度之外，就可能接收不到聲信號或者接收到的 聲信號與實際聲信號有一定的誤差。在水聽器的校準(zhǔn)及使用水聽器進(jìn)行聲場測量 時，必須充分考慮指向性的影響。 表卜1 各種水聽器的典型性能【1 i t a b l - 1r e p r e s e n t a t i v ef e a t u r e so f v a r i o u sh y d r o p h o n e s 承聽器 自由場電纏端指定電綴電纜端電容 電蟪墻開路 ( 帶有指定負(fù)藏五)負(fù)載長度或水聽囂阻抗靈敏度，脅 類翌 夏教度肌，p v v a z z 心| ￥t 針狀 1o q 0 1 0 0l 1 3 0 p f 0 1 2 3 l f i l m 直徑 s o p f p針狀1 0 t q o 0 3 2l1 3 0 p e仉0 3 9 v 0 6 m m 直徑3 0 # d 薄膜 5 0 1 , o血( 訂一t 7 0 0 0 0 9 8o 7 o i 0 2 ：f l m r n 直徑$ p f抽( z ) 一一1 2 2 薄膜5 0 k f l腸( o ) = 2 2 0 0 0 0 3 30 7仉0 3 5 0 5 r a m 直徑 5 一 m ( z ) 一一1 6 l o f t b 竹狀 l o o 禽瓷 o 5 6 i 5 0 p f 0 6 7 0 5 m m 直徑3 0 p f 1 3 水聽器的使用 1 3 1 水 一般來講，測量超聲換能器的聲輸出量是在水中進(jìn)行的。水是一種既便宜又 方便的模擬人體組織的媒質(zhì)。但在使用水時，最好用去離子水或蒸餾水以保證其 純凈度和降低傳導(dǎo)性。低傳導(dǎo)性的水對于共平面屏蔽型的p v d f 薄膜水聽器尤其 重要，因為這種水聽器的靈敏區(qū)是暴露在水中的。對于雙層屏蔽型薄膜水聽器， 盡管水的傳導(dǎo)性問題已經(jīng)不存在，并且原則上可以直接使用自來水，但仍然傾向 于使用純水，以防止水聽器表面有鹽的沉積。 當(dāng)浸在水中的水聽器表面附著有氣泡時，可能會導(dǎo)致一些問題。解決這個問 題的一個比較有效的方法是使用除氣水。有幾種方法可以獲得除氣水，常用的有 煮沸法和用真空泵抽氣法。但是，并非在任何場合都能夠獲得除氣水，這時就建 議在進(jìn)行測量之前把水聽器浸在水中一段時間。有時氣泡陷入薄膜水聽器的邊框 9 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 下，就需要用一把軟刷子把氣泡除去。 當(dāng)測量高功率連續(xù)波或準(zhǔn)連續(xù)波所產(chǎn)生的聲場( 比如由理療設(shè)備所產(chǎn)生的聲 場) 時，高強度聲場所產(chǎn)生的空化效應(yīng)會對測量產(chǎn)生影響?？栈?yīng)產(chǎn)生的空化 氣泡對超聲形成散射，增加了測量的不準(zhǔn)確度。對空化效應(yīng)的消除也要求使用除 氣水。 1 3 2 水聽器的安裝、定位和調(diào)整 由于超聲發(fā)射換能器和水聽器都具有很強的指向性，所以在測量過程中，系 統(tǒng)的定位和調(diào)整就顯得十分重要。為了很好的進(jìn)行定位，必須對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)陌?裝。膜式水聽器應(yīng)通過其支撐環(huán)固定在支架上，令水聽器的前端距離發(fā)射換能器 最近。探針式水聽器應(yīng)鉗在距離其靈敏區(qū)幾厘米后的位置。水聽器的支架要求有 五個自由度：三個移動自由度和兩個轉(zhuǎn)動自由度。調(diào)整時要求水聽器敏感元件的 中心始終位于兩個旋轉(zhuǎn)自由度的中心軸線的交點上。 1 3 3 電負(fù)載的考慮 由于水聽器靈敏元件小而薄，具有較高的電阻抗。因此與電纜相連后的電纜 端開路靈敏度虬與有電負(fù)載相連時的靈敏度m ，是不同的。當(dāng)水聽器電阻抗和 負(fù)載電阻抗均合理地假設(shè)為電容性時，二者有如下關(guān)系： m l = m c 蠢 式中：c 水聽器電纜瑞電容量，p f ； c ，水聽器的電負(fù)載電容量，p f 。 因此在測定水聽器電纜端有負(fù)載時的靈敏度時，應(yīng)記錄電負(fù)載的阻抗值。通 常用示波器的輸入端輸入阻抗1 m q 3 0 p f 作為水聽器的電負(fù)載較為方便，也是 合理的。 1 3 4 水聽器信號放大器 水聽器的信號放大器是水聽器和測量系統(tǒng)之間的緩沖級，它對水聽器來說是 一個恒定的電負(fù)載，不但提高了靈敏度，還可克服高頻時的電纜共振效應(yīng)。缺點 是限制了動態(tài)范圍，需要供電，增加了復(fù)雜性。 本章小結(jié)： 在調(diào)研和閱讀大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，本章比較詳細(xì)地介紹了國內(nèi)外常用水聽器 的類型、水聽器的性能參數(shù)以及水聽器在使用的時候需要注意的問題。而關(guān)于水 聽器的校準(zhǔn)方法、適用于高強度聚焦超聲場測量的特殊水聽器的設(shè)計等問題，將 在以后各章節(jié)中逐一進(jìn)行介紹。 1 0 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章 參考文獻(xiàn)( i ) 1 馮若，劉忠齊，姚錦鐘等，超聲診斷設(shè)備原理與設(shè)計，中國醫(yī)藥科技出版社，1 9 9 3 【2 】s t e p h e nr o b i n s o n , r o yp r e s t o n , m a r t y ns m i t h ，a n dc a r o l i n em i l l a r , p v d fr e f e r e n c e h y d r o p h o n ed e v e l o p m e n ti nt h eu k - f r o mf a b r i c a t i o na n dl a m i n a t i o nt ou s ea ss e c o n d a r y s t a n d a r d s ji e e et r a n s o nu r r a s o n i c s , f e r r o e l e e t r i c s ，a n df r e q u e n c yc o n t r o l ，n o v 2 0 0 0 , v 0 1 4 7 ，n o 6 ，1 3 3 6 - 1 3 4 4 【3 】r c p r e s t o n , s p r o b i n s o n , r c c h i v e r s ，e t c ，o u t p u tm e a s u r e m e n t sf o rm e d i c a lu l t r a s o u n d 。 1 9 9 1 【4 】a n d r e wh u r r e la n df r a n c i sd u c k at w o d i m e n s i o n a lh y d r o p h o n ea r r a yu s i n gp i e z o - e l e c t r i c p v d f ”，i e e et r a m o nu l t r a s o n i c s ，f e r r o e l e c t r i c s ，a n df r e q u e n c yc o n t r o l ，n o v 2 0 0 0 ， 、，0 i 4 7 , n o 6 1 3 4 5 1 3 5 3 5 】曹家年，包建新，李緒友等，光纖水聽器，光技術(shù)通訊，v 0 1 2 1 ，n o 2 1 ，9 0 9 4 【6 】p a u lc b e a r d ，a n d r e wm h u r r e l l ，a n dt i mn m i l l s 。c h a r a c t e r i z a t i o no fap o l y m e rf i l m o p t i c a lf i b e rh y d r o p h o n ef o ru s ei nt h er a n g elt o2 0m h z ：ac o m p a r i s o nw i t hp v d fn e e d l e 。a n dm e m b r a n eh y d r o p h o n e s , i e e et r a n s a c t i o n so nu l t r a s o n i c s , f e r r o e l e c t r i c s ，a n df r e q u e n c y c o n t r o l ，j a n 2 0 0 0 ，v 0 1 4 7 , n o 1 ，2 5 6 2 6 4 【7 】夏榮民，高強度聚焦超聲治療系統(tǒng)的聲場研究及光纖測量，【學(xué)位論文】，上海交通大學(xué) 包兆龍圖書館，上海交通大學(xué)。2 0 0 2 。 【8 】b g r a n z , p v d fh y d r o p h o n ef o rt h em e a s u r e m e n to fs h o c kw a v e s ”，i e e et r a n s a c t i o no l l e l e c t r i c a ll n s u l a t i o n ，j u n e1 9 8 9 ，v 0 1 2 4n o 3 ，4 9 9 5 0 2 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 第二章水聽器的校準(zhǔn)技術(shù) 水聽器在投入使用之前必須經(jīng)過校準(zhǔn)，確定其輸出電壓與聲場聲壓的關(guān)系， 即水聽器的靈敏度。1 9 9 6 年，h a r r i s 就指出，超聲水聽器的靈敏度用于測量醫(yī)學(xué) 成像系統(tǒng)的聲輸出是非常重要的，同時對于超聲成像設(shè)備機械指數(shù)( m e c h a n i c a l i n d e x ) 的確定也是很重要的。機械指數(shù)( m i ) 已經(jīng)被作為診斷超聲的關(guān)鍵安全 性指標(biāo)。它的值被作為對于聲波透射的組織機械損傷的一個指標(biāo)，并要求在超聲 成像設(shè)備的輸出顯示屏上實時顯示。為了使m i 的誤差不超過5 ，就要求水聽 器的頻率低限是超聲成像設(shè)備頻率的1 2 0 。因此，a i u m 和n e m a 于1 9 9 8 年的 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，用于測定聲輸出量的水聽器校準(zhǔn)范圍應(yīng)該是被測儀器的中心頻率的 1 2 0 至8 倍。上限8 倍的規(guī)定是考慮到了聲的非線性傳播現(xiàn)象所可能導(dǎo)致的高次 諧波。假設(shè)超聲設(shè)備的最低中心頻率為2 m h z ，就要求確定出水聽器在1 0 0 k h z 附近的靈敏度。同樣，對于個中心頻率是1 2 m h z 的超聲設(shè)備，就要求確定水 昕器在9 6 m h z 附近的靈敏度。 水聽器的校準(zhǔn)方法有很多種，其中比較常用的一級校準(zhǔn)方法有：互易校準(zhǔn)法、 聲場掃查校準(zhǔn)法、光學(xué)干涉校準(zhǔn)法、時間延遲譜分析( t i m e d e l a ys p e c t r o m e t r y , t d s ) 校準(zhǔn)法以及利用非線性傳播的水聽器校準(zhǔn)方法等。 2 1 互易校準(zhǔn)法 利用電聲換能器的互易侄，即它的接收靈敏度肘與其發(fā)送響應(yīng)s 之比等于 一個互易常數(shù)，的性質(zhì)，分別測出若干對發(fā)射換能器接收換能器排列對的換能 器轉(zhuǎn)移阻抗，應(yīng)用互易常數(shù)，通過計算進(jìn)行的換能器的接收靈敏度和發(fā)射響應(yīng)的 絕對校準(zhǔn)方法，稱為互易校準(zhǔn)。轉(zhuǎn)移阻抗是接收器開路輸出電壓與激勵發(fā)射器的 輸入電流之比?；ヒ仔?zhǔn)是迄今最準(zhǔn)確的電聲換能器的一級校準(zhǔn)方法，應(yīng)予優(yōu)先 采用。常規(guī)互易校準(zhǔn)包括常規(guī)互易法( 三個換能器的球面波互易校準(zhǔn)) 、自易法、 在遠(yuǎn)近場過渡區(qū)的自易法等。在醫(yī)用超聲頻率范圍內(nèi)，按照i e c 8 6 6 ( 1 9 8 7 ) 推薦使 用兩個換能器的互易校準(zhǔn)法就是在遠(yuǎn)近場過渡區(qū)的自易法。下面重點討論兩個換 能器的互易校準(zhǔn)法。 本方法由b r e n d e l 于1 9 7 6 年提出。首先對一個輔助換能器進(jìn)行平面波自易 校準(zhǔn)，然后在其已知聲場中校準(zhǔn)被測水聽器?？梢栽? 5 1 5 m h z 頻率范圍內(nèi)對水 昕器進(jìn)行一級絕對校準(zhǔn)，獲得與要求的水聽器相適應(yīng)的精度，其不確定度優(yōu)于 1 5 d b 。本方法所需設(shè)備比較簡單，只需要少量的專用設(shè)備，比較容易實現(xiàn)。 圖2 - 1 示出了校準(zhǔn)裝置的安排。消聲水槽中接近底部安裝一個可以繞過水平 1 2 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 軸旋轉(zhuǎn)的平面聲反射器m ，旋轉(zhuǎn)軸通過反射面。輔助換能器t 和待校水聽器h 分別安裝在水面附近，位于垂直于水平面且通過聲反射器轉(zhuǎn)軸的平面兩側(cè)且對稱 于該平面。猝發(fā)音發(fā)生器通過匹配網(wǎng)絡(luò)再經(jīng)電流探頭向換能器t 饋送驅(qū)動電流 j 。經(jīng)電流探頭可測量流過t 的驅(qū)動電流。 2 1 1 輔助換能器的平面波自易校準(zhǔn) 由一個平面活塞式具有互易性的輔助換能器t ，在猝發(fā)音信號電流i t 的激勵 下，向消聲水槽的聲反射鏡m 發(fā)射超聲脈沖，調(diào)整t 的發(fā)射角和m 的角度，使 超聲束軸垂直于反射面，此時換能器t 接收到的第一回波信號的開路電壓u l 達(dá) 到最大值。分別測量u l 和i l 。在理想平面波的假設(shè)條件下，由平面波的互易性 可推導(dǎo)得到輔助換能器t 的視在發(fā)送電流響應(yīng)s 為： ：砒= 西v i ) 1 ，2 ，2 2 4 肛) u u 圖2 - 1 兩個換能器的互易校準(zhǔn)法的實驗裝置示意圖“1 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h et w ot r a n s d u c e r sr e c i p r o c i t yc a l i b r a t i o n l 一一輔助換能器( t ) ；2 一一被校水聽器( h ) ； 3 一一可旋轉(zhuǎn)的平面聲反射鏡( m ) 式中：p ，由換能器t 發(fā)射的平面波聲壓，p a ； ，。- 平面波互易常數(shù)，w p a 2 4 換能器表面的有效面