专利名称：一种便携式超声声场参数测量系统及其测量方法
技术领域：
本发明属于声学计量领域，尤其涉及一种便携式超声声场参数测量系统的设计， 主要用于医用超声诊断设备、理疗设备和治疗设备的超声声场参数测量。
背景技术：
随着超声诊断设备、理疗设备和治疗设备在医疗等领域的广泛应用，确保各类医 用超声设备的量值准确和安全，具有非常重要的意义。目前在医用超声设备的功率测量方面，瓦级/毫瓦级超声功率计是测量医用超声 仪器输出功率的重要设备。常用的功率计一般是基于辐射力的方法，通过反射靶或者吸收 靶感知超声场的辐射力，后端的力值通过天平、力传感器或者电学方法来测量，经过一定的 换算后计算出超声设备的输出总功率。随着人们对安全理解的深入，医用超声设备的输出总功率不再是安全评价的最重 要指标，瞬态峰值声压是评价安全性的重要参量。目前瞬态指标的评估一般是在产品的定 型时期完成的，该测量是通过复杂昂贵的声场扫描系统实现的。一般来说，该定型鉴定费用 高、耗时多，设备复杂占地大，无法满足日常检定的测量要求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题，申请人研发了一种便携式超声声场参数测 量系统及其测量方法。本发明设计了一种便携式的、基于水听器测量的超声声场参数测量 系统，它能够完成对瓦级声源、毫瓦级声源的超声声场参数的准确测量。便携式超声声场参数测量系统的原理是首先将已校准的测量水听器置于待测声 场(即消声水槽)中。根据超声设备的不同，声场中的声波大致可以分为连续波信号和脉冲 波信号两种情况。水听器能够以一定灵敏度测量声场某一点的声压信号并转换成电信号。 该电信号经过阻抗匹配电路、程控增益电路、信号调理电路、A/D转换以及峰值采样处理和 总线控制电路后，将数据上传至上位机后，计算出的声场参数并在显示屏上显示出来。能够 通过声压信息计算出超声声场的其他一些参数。本发明为了实现上述发明目的，所采用的技术方案如下，一种便携式超声声场参数测量系统，所述测量系统包括超声信号接收探测模块，超声信号处理模块和超声信号参数计 算和输出显示模块；所述超声信号接收探测模块包括超声换能器、待测声场和测量信号装置；所述超 声信号接收探测模块探测待测超声设备的声压信号；所述超声信号处理模块将探测到的超声设备的声压信号进行调整，匹配，自适应 程控增益，A/D转换等处理；所述超声信号参数计算和输出显示模块将处理后的信号进行存储、读取、抽样和 计算峰值负声压、声功率、声强声场参数，绘制采集波形并将计算结果显示在液晶屏上。
为了实现探测超声声场信号的目的，所述超声信号接收探测模块中所述测量信号 装置为水听器；所述待测声场采用消声水槽；所述消声水槽的上下底部分别设置一个入水口和出水口，且在所述消声水槽的左 右侧壁分别开设一个圆孔，分别放置所述待测超声仪器的换能器和所述水听器；测量时，将 所述消声水槽中注入纯净水。由于超声声场能量大小不同，所述超声信号接收探测模块中还包括能量衰减装 置，所述能量衰减装置为衰减片；根据超声声场能量的大小选择不同的衰减片，以实现对不 同功率等级的连续波声源和脉冲波声源的实现测量；所述衰减片设置在所述待测声场中。具体的，所述消声水槽为四边形水槽；所述水槽的内部尺寸约为 20CmX20CmX20Cm，以便为B超阵列探头设置不同的聚焦深度时提供足够的进深。在所述 消声水槽的四周壁上及底部铺设消声材料，所述消声材料选用高频的吸声橡胶；所述超声 换能器设置在消声水槽左侧的柔性声窗内；且所述消声水槽中填充为纯净水；所述衰减片 可自由拆卸地纵向设置在所述消声水槽中；所述衰减片尺寸为20cmX 20cm，厚度为1cm，安 装在水槽内壁的导向定位槽内。其在IMHz IOMHz频率范围内的声压衰减倍数需要精确 的测量。对水听器探测的信号需要进行一系列的调整和操作，因此所述超声信号处理模块 包括阻抗匹配电路单元、程控增益电路单元、信号调理电路单元和A/D转换电路单元；所述阻抗匹配电路单元用于将从所述水听器输出的电信号进行匹配，后传递到下 一级电路；所述程控增益电路单元针对被测超声换能器动态范围较宽，测量时需要将水听器 输出的原始信号放大到适当的电压范围，以保证A/D转换和后续计算的精度；所述信号调理电路单元用于对水听器获得的电信号进行滤波等处理，从而提高信 号采集系统的性能与精度；所述A/D转换电路单元用于对经过调理后的模拟电信号转换成数字信号。本发明最后需要对数据进行计算和输出，因此所述超声信号参数计算和输出显示 模块基于FPGA(现场可编程门阵列)的硬件峰值进行采样处理和总线控制电路；该模块通 过FPGA的控制信号实现对A/D转换器输出的数据进行存储、读取和抽样，对超声设备声场 参数的计算并显示。所述基于FPGA (现场可编程门阵列)的ISA总线控制电路，用于将采集的大量数 据进行硬件抽样，并通过ISA总线上传至PC104中，然后将波形以及计算得到的参数显示在 液晶屏上。本发明在研发测量系统的基础上设计了超声声场参数测量方法，所述测量方法包括如下步骤，A.设置测量系统搭建系统中超声信号接收探测模块，超声信号处理模块和超声 信号参数计算和输出显示模块；B.启动系统；C.判断声源类型根据外面待测仪器的不同，选择是连续波声源还是脉冲波声 源。D利用采集的波形，实测超声源声波的频率；
E选择水听器类型，并载入水听器的灵敏度文件；F采集并显示水听器采集的信号(经过匹配和放大)，将随机采集的波形进行相位 固定处理，并根据采集波形自适应调整采样时间和采样率；。G将采集并固定相位后的波形进行自适应增益调整，手动调整超声换能器的角度 和位置使得采集的波形最高，并将显示波形的最大值调整到高于显示屏的70%后，记录当 前增益值和波形量化值；利用上述参数及水听器的灵敏度文件，计算出待测超声声场的部 分重要参数，如平均功率、峰值负声压、声强等。H将计算的结果输出；I 结束。其中，峰值负声压根据水听器接收到的信号，根据水听器的灵敏度计算所得。峰值负声压P_ = U/M功率、输出波束声强等计算公式参照
权利要求
1.一种便携式超声声场参数测量系统，其特征在于，所述测量系统包括超声信号接收探测模块，超声信号处理模块和超声信号参数计算和 输出显示模块；所述超声信号接收探测模块包括超声换能器、待测声场和测量信号装置；所述超声信 号接收探测模块探测待测超声设备的声压信号；所述超声信号处理模块将探测到的超声设备的声压信号进行匹配、自适应程控增益、 调理、A/D转换等处理；所述超声信号参数计算和输出显示模块将处理后的信号进行存储、读取、抽样和计算 峰值负声压、声功率、声强声场参数，绘制采集波形并显示计算结果。
2.根据权利要求1所述的一种便携式超声声场参数测量系统，其特征在于，所述超声信号接收探测模块中所述测量信号装置为水听器；所述待测声场采用消声水槽；所述消声水槽的上下底部分别设置一个入水口和出水口，且在所述消声水槽的左右侧 壁分别开设一个圆孔，其中左边孔为声窗，右边为水听器安装孔，分别放置所述待测超声仪 器的换能器和所述水听器；测量时，将所述消声水槽中注入纯净水。
3.根据权利要求1或2所述的一种便携式超声声场参数测量系统，其特征在于， 所述超声信号接收探测模块中还包括能量衰减装置，所述能量衰减装置为衰减片；根据超声声场能量的大小选择不同的衰减片，以实现对不同功率等级的连续波声源和脉冲波 声源的实现测量；所述衰减片设置在所述待测声场中。
4.根据权利要求2或3所述的一种便携式超声声场参数测量系统，其特征在于， 所述消声水槽为四边形水槽；在所述消声水槽的四周壁上及顶、底部铺设消声材料，所述消声材料选用高频的吸声橡胶；所述超声换能器设置在消声水槽左侧的柔性声窗内；且 所述消声水槽中填充为纯净水；所述衰减片可自由拆卸并纵向设置在所述消声水槽中；所 述衰减片在IMHz IOMHz频率范围内的声压衰减倍数需要精确的测量；所述衰减片尺寸为 20cmX 20cm,厚度为1cm，安装在水槽内壁的导向定位槽内。
5.根据权利要求1所述的一种便携式超声声场参数测量系统，其特征在于，所述超声信号处理模块包括阻抗匹配电路单元、程控增益电路单元、信号调理电路单 元、A/D转换电路单元；所述阻抗匹配电路单元用于将从所述水听器输出的电信号进行匹配，后传递到下一级 电路；所述程控增益电路单元针对被测超声换能器动态范围较宽，测量时需要将水听器输出 的原始信号放大到适当的电压范围，以保证A/D转换和后续计算的精度；所述信号调理电路单元用于对水听器获得的电信号进行滤波等处理，从而提高信号采 集系统的性能与精度；所述A/D转换电路单元用于对经过调理后的模拟电信号转换成数字信号。
6.根据权利要求1所述的一种便携式超声声场参数测量系统，其特征在于，所述超声信号参数计算和输出显示模块，是基于FPGA的硬件峰值抽样及总线控制电 路；所述基于FPGA的峰值抽样电路，用于将采集的大量数据进行硬件抽样，并通过ISA总线 上传至处理器中，然后将波形以及计算得到的参数显示；即该模块通过FPGA的控制信号实现对A/D转换器输出的数据进行存储和抽样，对超声设备声场参数的计算并显示。
7.如权利要求1-6之一所述的系统进行超声声场参数测量方法，其特征在于，所述测 量方法包括如下步骤，A.设置测量系统搭建系统中超声信号接收探测模块，超声信号处理模块和超声信号 参数计算和输出显示模块；B.启动系统；C.判断声源类型根据外面待测超声仪器的不同，选择声源类型连续波声源还是脉 冲波声源；D.利用采集的波形，实测超声源声波的频率；E.选择水听器类型，并载入所述水听器的灵敏度文件；F.采集并显示水听器采集的信号，将随机采集的波形进行相位固定处理，并根据采集 波形自适应调整采样时间和采样率；G.将采集并固定相位后的波形进行自适应增益调整，手动调整超声换能器的角度和位 置使得采集的波形最高，并将显示波形的最大值调整到高于显示屏的70%后，记录当前增 益值和波形量化值；利用上述参数及水听器的灵敏度文件，计算出待测超声声场的部分重 要参数，如平均功率、峰值负声压、声强等。H.将计算的结果输出；
8.如权利要求7所述的超声声场参数测量方法，其特征在于，步骤G中的峰值负声压根据水听器接收到的信号，根据水听器的灵敏度计算所得所述峰值负声压P- = U/M功率、输出波束声强等计算公式参照IEC 62127-1功率:p= W1TA(^y)dxdY
全文摘要
本发明属于声学计量领域，尤其涉及一种便携式超声声场参数测量系统的设计，主要用于医用超声诊断设备、理疗设备和治疗设备的超声声场参数测量。一种便携式超声声场参数测量系统，所述测量系统包括超声信号接收探测模块，超声信号处理模块和超声信号参数计算和输出显示模块；本发明针对目前对医用超声设备的瞬态指标评估在产品的定型时期完成，需要通过复杂昂贵的声场扫描系统来实现，并且定型鉴定费用高、耗时多，设备复杂占地大以及无法满足日常检定的测量要求等缺点，本发明设计的便携式超声声场参数测量系统可以方便的测量超声设备的超声声场输出总功率、瞬时峰值声压等参数，使用方便快捷，可靠性高。
文档编号G01H3/14GK102095485SQ200910249620
公开日2011年6月15日 申请日期2009年12月9日 优先权日2009年12月9日
发明者何龙标, 朱岩, 杨平, 祝海江, 边文萍 申请人:中国计量科学研究院