基于壓電效應(yīng)的超聲換能器聲功率測(cè)量研究.pdf

1、超聲換能器是超聲設(shè)備的核心組成部件，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事等領(lǐng)域。聲功率作為描述超聲換能器聲輸出量的重要超聲特性參數(shù)測(cè)量指標(biāo)，是評(píng)價(jià)和控制超聲設(shè)備質(zhì)量的最重要依據(jù)之一，它的準(zhǔn)確與否將直接關(guān)系到超聲設(shè)備的安全性和可靠性。特別是，針對(duì)聚焦超聲換能器在臨床腫瘤治療上的應(yīng)用，換能器聲功率的設(shè)置是影響疾病治療效果以及狀態(tài)的關(guān)鍵因素之一。因此，為了使超聲設(shè)備得到更好地控制與應(yīng)用，聲功率測(cè)量技術(shù)的精準(zhǔn)性和簡(jiǎn)易性便成為超聲設(shè)備工程設(shè)計(jì)以及計(jì)

2、量檢測(cè)中的重點(diǎn)考慮方向。
　　針對(duì)目前測(cè)量換能器聲功率的技術(shù)手段存在的一些問(wèn)題，例如用于接收聲場(chǎng)作用的吸收靶以及反射靶對(duì)聲場(chǎng)本身易造成干擾，且錐形反射靶對(duì)中軸對(duì)稱(chēng)性要求較高，操作比較復(fù)雜，易受到環(huán)境的影響，本文提出了一種基于壓電效應(yīng)的超聲功率測(cè)量方法，旨在提升聲功率測(cè)量技術(shù)的簡(jiǎn)便性以及快捷性。采用壓電陶瓷片直接接收超聲信號(hào)，將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)輸出壓電信號(hào)的幅度變化來(lái)反映換能器聲功率的變化，通過(guò)包絡(luò)檢測(cè)技術(shù)獲取壓電陶瓷片在回

3、波干擾發(fā)生前受到聲波作用后輸出的最大峰值電壓，結(jié)合壓電信號(hào)與聲功率之間的數(shù)值換算，從而實(shí)現(xiàn)了聲功率的簡(jiǎn)便測(cè)量，且避免了反射聲波的干擾。
　　對(duì)此，本文從理論和實(shí)驗(yàn)方面主要做了以下研究工作：
　　1.從超聲換能器的應(yīng)用價(jià)值以及聲功率測(cè)量的重要性出發(fā)，比較目前存在的幾種聲功率測(cè)量技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，闡明提升聲功率測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)便性和精確度的關(guān)鍵點(diǎn)，以及預(yù)期達(dá)到的測(cè)量效果。
　　2.采用壓電陶瓷片直接接收聲波作用，由于聲波入射到壓電陶

4、瓷片表面會(huì)發(fā)生反射，反射聲波傳播到換能器表面時(shí)會(huì)影響聲功率的輸出，之后的聲功率會(huì)有所下降，在壓電陶瓷片表面形成的聲波作用力也會(huì)隨之下降，根據(jù)壓電效應(yīng)，兩端輸出的壓電信號(hào)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的幅度變化，從而將發(fā)射換能器的聲功率變化轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的形式。
　　3.結(jié)合壓電方程以及機(jī)電類(lèi)比的方式，得到壓電陶瓷片輸出壓電信號(hào)的組成模式，找出描述聲功率變化的信號(hào)特征值，確定輸出壓電信號(hào)與換能器聲功率之間的理論轉(zhuǎn)換模型。
　　4.壓電信號(hào)的處理是比

5、較關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)介紹包絡(luò)檢測(cè)技術(shù)的基本原理，分析幾種提取信號(hào)包絡(luò)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)出局部峰谷點(diǎn)插值算法較小波變換、希爾伯特黃變換幾種包絡(luò)提取方法的優(yōu)勢(shì)所在，并利用該方法對(duì)輸出壓電信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)提取，獲得表征聲功率變化的電壓幅度曲線(xiàn)，其與理論分析曲線(xiàn)圖呈現(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)。
　　5.分別找出不同換能器驅(qū)動(dòng)電壓下包絡(luò)曲線(xiàn)的最大峰值電壓，將其平方值與基于輻射壓力法聲功率計(jì)所測(cè)聲功率進(jìn)行線(xiàn)性擬合，并對(duì)理論關(guān)系式中的比例系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。在