專利名稱：反射探針型聚焦聲場(chǎng)測(cè)量用換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對(duì)HIFU設(shè)備的性能進(jìn)行測(cè)量的裝置，主要是一種反射探針型聚焦聲場(chǎng)測(cè)量用換能器，即反射探針型水聽器，用于對(duì)高強(qiáng)度聚焦超聲HIFU換能器所產(chǎn)生的聲場(chǎng)的測(cè)量，可獲得換能器焦域附近的聲壓量值及聲壓分布。
背景技術(shù)：
高強(qiáng)度聚焦超聲High Intensity Focused Ultrasound，簡(jiǎn)稱HIFU技術(shù)目前已被發(fā)展為醫(yī)療設(shè)備，應(yīng)用于臨床對(duì)腫瘤的治療。當(dāng)高聲強(qiáng)超聲波聚焦到毫米量級(jí)的焦域中并作用到人體組織后，可在短時(shí)間內(nèi)使組織的溫度上升，從而達(dá)到治療的效果。較之傳統(tǒng)的外科治療方法，HIFU設(shè)備可避免和減小手術(shù)給病人帶來(lái)的痛苦，因此，受到世界各國(guó)的重視，近年來(lái)得到了快速發(fā)展。
隨著HIFU技術(shù)的發(fā)展，臨床設(shè)備正不斷出現(xiàn)并得到應(yīng)用，如何對(duì)HIFU設(shè)備的性能進(jìn)行測(cè)量和鑒定正日益受到各界的重視和關(guān)注。由于HIFU設(shè)備利用超聲波作用于人體組織來(lái)達(dá)到治療目的，因此，對(duì)其所產(chǎn)生的超聲功率、聲壓和聲壓分布的測(cè)量顯得尤為重要。
為了對(duì)醫(yī)療超聲設(shè)備進(jìn)行聲學(xué)性能的檢測(cè)，歐、美等國(guó)的研究人員已發(fā)明了多種測(cè)量方法，到目前為止，較為普及的測(cè)量方法多是依靠壓電水聽器來(lái)進(jìn)行。作為測(cè)量用的壓電水聽器一般為探針式水聽器，在該種水聽器中，壓敏元件被安置于管狀探針的一端，直接接收測(cè)量聲波并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓波形。探針式水聽器在診斷超聲設(shè)備的檢測(cè)中發(fā)揮了重要作用。但是，HIFU治療設(shè)備將產(chǎn)生數(shù)兆帕的連續(xù)波，傳統(tǒng)的探針?biāo)犉鲗?huì)被損壞，因此，目前各國(guó)尚沒(méi)有成熟的方法來(lái)對(duì)HIFU設(shè)備的性能進(jìn)行檢測(cè)，顯然，這對(duì)于HIFU技術(shù)的應(yīng)用和設(shè)備的改進(jìn)是不利的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是為了克服上述技術(shù)的不足，而提供的一種可以對(duì)高強(qiáng)度聚焦換能器進(jìn)行測(cè)量的反射探針型聚焦聲場(chǎng)測(cè)量用換能器，可以解決HIFU等高強(qiáng)度聚焦換能器測(cè)量所面臨的困難。
本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案這種反射探針型聚焦聲場(chǎng)測(cè)量用換能器，主要包括反射探針和聚焦換能器，所述的反射探針、聚焦換能器分別與支架固定連接，聚焦換能器設(shè)置于被測(cè)換能器的聲場(chǎng)之外，且聚焦換能器的焦點(diǎn)處于反射探針?lè)瓷涠嗣娴闹行奈恢谩?br> 本發(fā)明所述的技術(shù)方案可以進(jìn)一步完善。
本發(fā)明所述的聚焦換能器固定連接在支架上端的橫梁上，反射探針固定連接在支架下端的橫梁上，其中聚焦換能器聲軸與反射探針的軸向成40°-50°的夾角，最佳的角度是45°。
本發(fā)明所述的聚焦換能器的外殼內(nèi)設(shè)置有聲學(xué)透鏡、壓敏元件和吸聲背襯，其中壓敏元件的正負(fù)極通過(guò)導(dǎo)線與輸出電纜相連接。
本發(fā)明所述的反射探針為實(shí)心的金屬或非金屬圓錐體，前端被加工為直徑為1mm-2mm的平面。
本發(fā)明所述的支架上設(shè)有連接桿，通過(guò)連接桿安裝到相應(yīng)的測(cè)量裝置上。
本發(fā)明有益的效果是1)、與傳統(tǒng)的工作在兆赫茲頻段的水聽器相比，接收換能器具有較大的接收面積和電容量，測(cè)量中可使用相對(duì)較長(zhǎng)的電纜，并可直接連接至一般的測(cè)量?jī)x表設(shè)備上，不需要進(jìn)行接收靈敏度的修正，因此，極大地方便了測(cè)量操作。2)、通過(guò)探針的端面截獲并按設(shè)計(jì)方向反射入射聲波，接收換能器的焦點(diǎn)處于金屬探針?lè)瓷涠嗣娴闹行奈恢?，既可達(dá)到有效接收探針?lè)瓷湫盘?hào)的目的，同時(shí)，由于聚焦換能器對(duì)聲波的接收具有空間選擇性，也有效地消除了來(lái)自其它區(qū)域聲波對(duì)測(cè)量的干擾，以此達(dá)到了有效接收反射聲波、消除其他入射聲波干擾的目的。3)、傳統(tǒng)的探針?biāo)犉魍ㄟ^(guò)固定在探針中的壓電元件直接接收入射聲波，本發(fā)明的反射探針型水聽器，利用內(nèi)部不再含有壓電有源元件的探針截獲和反射待測(cè)聲波，接收換能器不再處于高強(qiáng)度聲波的作用下，從而避免了聲波對(duì)壓力敏感元件的損害，提高了系統(tǒng)對(duì)高強(qiáng)度聲波的測(cè)量能力。


圖1是本發(fā)明的主視結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明中聚焦換能器部分的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明中凹面壓敏材料聚焦換能器軸向聲壓分布示意圖；圖4是利用本發(fā)明測(cè)量獲得的HIFU換能器在不同驅(qū)動(dòng)電壓下焦平面上的聲壓分布圖；
附圖標(biāo)記說(shuō)明反射探針1，支架2，聚焦換能器3，連接桿4，聲學(xué)透鏡5，PZT元件6，金屬外殼7，軟木橡膠8，吸聲背襯9，導(dǎo)線10，密封圈11，金屬堵頭12，后蓋13，輸出電纜14。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步介紹本發(fā)明所述的這種反射探針型聚焦聲場(chǎng)測(cè)量用換能器(反射探針型水聽器)的結(jié)構(gòu)如附圖1所示。它由反射探針1、剛性連接支架2和聚焦換能器3構(gòu)成，反射探針1為實(shí)心的金屬或非金屬圓錐，前端被加工為直徑為1mm-2mm的平面。聚焦換能器3設(shè)置于被測(cè)換能器的聲場(chǎng)之外并固定連接在支架2上端的橫梁上，反射探針1固定連接在支架2下端的橫梁上，連接支架2由金屬或具有較好剛性的非金屬材料制成，其作用是使聚焦換能器3的焦點(diǎn)位于反射探針1端面的中心位置，并使聚焦換能器的聲軸與反射探針的軸向成45°的夾角。所述的支架2上設(shè)有連接桿4，反射探針型水聽器通過(guò)連接桿4安裝到相應(yīng)的測(cè)量裝置上。聚焦換能器3由PZT或PVDF等壓敏材料制造而成，通過(guò)將壓敏材料加工成凹面形狀或使用聲學(xué)透鏡使換能器具有聚焦特性。
采用聲學(xué)透鏡原理的聚焦換能器3的結(jié)構(gòu)如附圖2所示，它由聲學(xué)透鏡5、PZT壓敏元件6、吸聲背襯9、導(dǎo)線10、外殼7和后蓋13等部件構(gòu)成。聲學(xué)透鏡5采用環(huán)氧樹脂材料，外表面被加工成凹球面形狀；PZT陶瓷與環(huán)氧樹脂聲學(xué)透鏡5、吸聲背襯9在金屬外殼7中被灌注為一體，吸聲背襯9采用環(huán)氧鎢粉材料，壓敏元件PZT陶瓷的正負(fù)極被導(dǎo)線10連接至輸出電纜14上引出，在背襯9和外殼7之間使用軟木橡膠8等材料以減少外界振動(dòng)對(duì)換能器性能的影響；通過(guò)O型密封圈11、金屬堵頭12和后蓋13，換能器被設(shè)計(jì)成水密結(jié)構(gòu)。
如果壓敏材料6設(shè)計(jì)成凹面形式，聚焦換能器將不再需要使用聲學(xué)透鏡，PZT陶瓷的凹面涂覆一層環(huán)氧樹脂材料后直接作為外輻射面，其余結(jié)構(gòu)和透鏡式聚焦換能器完全相同。
反射探針型水聽器的工作原理當(dāng)使用反射探針型水聽器進(jìn)行HIFU換能器聚焦聲場(chǎng)的測(cè)量時(shí)，探針的反射端面將置于聲場(chǎng)中的待測(cè)點(diǎn)上。入射聲波在與端面作用后，將改變傳播方向和傳播形式，以探針端面為中心，呈球面波形式在空間散射，聲壓最大值方向朝向聚焦換能器。聚焦換能器將處于HIFU換能器的聲場(chǎng)之外接收反射聲波，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)。由于探針為一實(shí)心圓柱體結(jié)構(gòu)，可承受極高的壓力，聲波經(jīng)探針?lè)瓷涞竭_(dá)換能器表面時(shí)聲壓振幅已大大減少，因此該種反射探針式水聽器可應(yīng)用于進(jìn)行高強(qiáng)度聚焦聲場(chǎng)的測(cè)量。
1.1探針?lè)瓷湓贖IFU換能器的焦點(diǎn)附近，聲波將以平面波形式傳播。當(dāng)其作用于探針的反射端面后，反射波等同與相同直徑的平面換能器所發(fā)射出的聲波，聲壓幅度取決于入射聲波的強(qiáng)度和探針的材料。
如果頻率為f的平面波正入射于不銹鋼圓盤表面，反射后在距離反射面為r距離處，與入射軸線成θ角度處的聲壓值可用下列公式表示Pr(f,r,θ)=12P0(f)ka2r(Zm-ZwZm+Zw)[2J1(kasinθ)kasinθ]---(1)]]>其中，J1是一階貝塞爾函數(shù)，P0是入射平面波振幅，k為波數(shù)，a為反射探針的半徑；Zw和Zm分別為水介質(zhì)和反射材料特性阻抗。
因此，平面聲波經(jīng)探針?lè)瓷浜笤诳臻g的聲壓分布形式與具有同樣直徑的平面活塞換能器相同。
當(dāng)入射的平面波與圓盤的法線方向成夾角θ時(shí)，根據(jù)反射定律，反射聲波與入射聲波的交角為2θ。因此，如反射探針的軸線方向與入射波相交45°角，在經(jīng)過(guò)端面反射后，反射聲波的主極大方向?qū)⒑腿肷渎暡ǔ?0°角。對(duì)于沿水平方向傳播的平面波，在經(jīng)過(guò)探針端面反射后，聲波的主極大將出現(xiàn)在垂直方向。
1.2聚焦換能器聚焦換能器發(fā)射的聲波將在其焦點(diǎn)上會(huì)聚，形成較強(qiáng)的聲壓。當(dāng)該種換能器被用于接收聲波時(shí)，來(lái)自其焦域中的聲波將被有效地接收，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，而來(lái)自其他區(qū)域的聲波在到達(dá)敏感元件表面時(shí)相位將出現(xiàn)顯著差異，導(dǎo)致聲波能量相互抵消，轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)明顯下降。因此，聚焦換能器對(duì)聲場(chǎng)中的聲波的接收具有較強(qiáng)的空間選擇性。
以凹面壓電材料構(gòu)成的聚焦換能器為例，如果壓敏材料的曲率半徑為R，口徑為d，弦高為h，在聲軸上聲場(chǎng)分布可用公式表示為
p(x)=jρ0c02v0q′sin[k(B-x)/2]·eJ[(ωt-k(B+x)/2)]---(2)]]>q′＝1-x/R (3)B=(x-h)2+(d/2)2---(4)]]>其中，ρ0是水介質(zhì)的密度，c0為水介質(zhì)中的聲速，v0為聚焦換能器表面的振速。根據(jù)上式可得出軸線上聲壓最大值的位置，也就是焦點(diǎn)位置。設(shè)d/R＝0.45，軸線上聲壓分布如圖3所示，其最大值出現(xiàn)在x≈0.9R。如使用該換能器作為接收水聽器，來(lái)自焦點(diǎn)處x≈0.9R的聲波將會(huì)被最有效的接收。
1.3反射探針型水聽器靈敏度反射探針型水聽器靈敏度由探針的反射強(qiáng)度、聚焦換能器的靈敏度以及探針和換能器之間的相對(duì)位置所共同決定。
聚焦換能器的靈敏度由換能器的結(jié)構(gòu)、有源材料和無(wú)源材料的特性決定。在壓電元件的諧振頻率遠(yuǎn)高于工作頻率、聚焦換能器的半徑大于測(cè)量頻段聲波的波長(zhǎng)、背襯材料的散射和反射影響可以不考慮的條件下，換能器的接收靈敏度響應(yīng)將趨于平坦。為方便分析，設(shè)反射探針端面的中心位置位于聚焦換能器的球心位置，來(lái)自HIFU換能器的聲波在探針端面反射后，向聚焦換能器方向傳播，則到達(dá)聚焦換能器敏感元件表面的聲波將處于同相位。根據(jù)公式(1)，作用在換能器表面的聲壓積分可表示為P‾=2π·a·rP0(f)·(Zm-ZwZm+Zw)∫0αJ1(kasinθ)dθ---(5)]]>式中，α為聲波經(jīng)探針?lè)瓷浜蟊痪劢箵Q能器接收到的波束開角的一半。當(dāng)聲波波長(zhǎng)λ＞a時(shí)，(5)式可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為P‾=πa2P0(f)·r·ωc(1-cosα)---(6)]]>(6)式顯示，由于經(jīng)探針?lè)瓷涞穆暡S著頻率的升高會(huì)呈現(xiàn)越來(lái)越強(qiáng)的空間指向性，較多的聲波能量將會(huì)被換能器表面所接收。因此，反射探針式水聽器的靈敏度將以每倍頻程6dB的速度增加。但在實(shí)際制作過(guò)程中，受到探針和聚焦換能器相對(duì)位置等因素的影響，反射探針型水聽器靈敏度隨頻率的增加速度將會(huì)低于上述理論計(jì)算結(jié)果。
2.運(yùn)用反射探針型水聽器測(cè)量結(jié)果2005年9月在重慶海扶公司通過(guò)運(yùn)用反射探針型水聽器對(duì)HIFU換能器焦平面上的聲壓分布進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)附圖4所示。
測(cè)量在半消聲水池中進(jìn)行，通過(guò)夾具將HIFU換能器固定在水池中，反射探針型水聽器被安裝在水池中坐標(biāo)機(jī)構(gòu)上，該坐標(biāo)機(jī)構(gòu)可沿X、Y、Z軸方向平動(dòng)，其中，X軸方向與HIFU換能器的聲軸方向重合，Y、Z軸方向與換能器的聲軸方向垂直，坐標(biāo)軸的圓點(diǎn)位于換能器的焦點(diǎn)上。測(cè)量中，反射探針型水聽器沿水平方向Z軸做掃描運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)步進(jìn)為0.2mm；輸入換能器的電壓分別為200V，400V，800V，1kV，1.5kV和1.8kV。
測(cè)量結(jié)果顯示，該HIFU換能器的焦點(diǎn)直徑約為2mm，該結(jié)果和傳統(tǒng)的探針?biāo)犉鳒y(cè)量結(jié)果相同，由此驗(yàn)證了新型反射探針型水聽器測(cè)量結(jié)果的正確性。圖4結(jié)果也顯示，該反射探針型水聽器可在較大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)使用，可以測(cè)量幅度達(dá)10MPa以上的聲壓，遠(yuǎn)高于通常的探針?biāo)犉魉軝z測(cè)的聲壓幅度；測(cè)量過(guò)程中使用的是連續(xù)波，而圖4顯示出較為理想的HIFU換能器的聲壓分布結(jié)果，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了新型的反射探針型水聽器具有較好空間分辨能力和較強(qiáng)的抗干擾能力，反射探針型水聽器的這些特征使其十分適合于進(jìn)行HIFU換能器的測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種反射探針型聚焦聲場(chǎng)測(cè)量用換能器，主要包括反射探針(1)和聚焦換能器(3)，其特征在于所述的反射探針(1)、聚焦換能器(3)分別與支架(2)固定連接，聚焦換能器(3)設(shè)置于被測(cè)換能器的聲場(chǎng)之外，且聚焦換能器(3)的焦點(diǎn)處于反射探針(1)反射端面的中心位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射探針型聚焦聲場(chǎng)測(cè)量用換能器，其特征在于所述的聚焦換能器(3)固定連接在支架(2)上端的橫梁上，反射探針(1)固定連接在支架(2)下端的橫梁上，其中聚焦換能器(3)聲軸與反射探針(1)的軸向成40°-50°的夾角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的反射探針型聚焦聲場(chǎng)測(cè)量用換能器，其特征在于所述聚焦換能器(3)的外殼(7)內(nèi)設(shè)置有聲學(xué)透鏡(5)、壓敏元件(6)和吸聲背襯(9)，其中壓敏元件(6)的正負(fù)極通過(guò)導(dǎo)線(10)與輸出電纜(14)相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的反射探針型聚焦聲場(chǎng)測(cè)量用換能器，其特征在于所述的反射探針(1)為實(shí)心的金屬或非金屬圓錐體，前端被加工為直徑為1mm-2mm的平面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射探針型聚焦聲場(chǎng)測(cè)量用換能器，其特征在于所述的支架(2)上設(shè)有連接桿(4)，通過(guò)連接桿(4)安裝到相應(yīng)的測(cè)量裝置上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種反射探針型聚焦聲場(chǎng)測(cè)量用換能器，主要包括反射探針和聚焦換能器，所述的反射探針、聚焦換能器分別與支架固定連接，聚焦換能器設(shè)置于被測(cè)換能器的聲場(chǎng)之外，且聚焦換能器的焦點(diǎn)處于反射探針?lè)瓷涠嗣娴闹行奈恢?。本發(fā)明有益的效果是1)、具有較大的接收面積和電容量，測(cè)量中可使用相對(duì)較長(zhǎng)的電纜，并可直接連接至一般的測(cè)量?jī)x表設(shè)備上，不需要進(jìn)行接收靈敏度的修正。2)、能有效接收探針?lè)瓷湫盘?hào)，也有效地消除了來(lái)自其它區(qū)域聲波對(duì)測(cè)量的干擾，以此達(dá)到了有效接收反射聲波、消除其他入射聲波干擾的目的。3)、接收換能器不再處于高強(qiáng)度聲波的作用下，避免了聲波對(duì)壓力敏感元件的損害，提高了系統(tǒng)對(duì)高強(qiáng)度聲波的測(cè)量能力。
文檔編號(hào)G01M99/00GK1818573SQ200610049779
公開日2006年8月16日 申請(qǐng)日期2006年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月10日
發(fā)明者王月兵, 葉方偉 申請(qǐng)人:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所, 重慶海扶(Hifu)技術(shù)有限公司