专利名称：反射探针型聚焦声场测量用换能器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对HIFU设备的性能进行测量的装置，主要是一种反射探针型聚焦声场测量用换能器，即反射探针型水听器，用于对高强度聚焦超声HIFU换能器所产生的声场的测量，可获得换能器焦域附近的声压量值及声压分布。
背景技术：
高强度聚焦超声High Intensity Focused Ultrasound，简称HIFU技术目前已被发展为医疗设备，应用于临床对肿瘤的治疗。当高声强超声波聚焦到毫米量级的焦域中并作用到人体组织后，可在短时间内使组织的温度上升，从而达到治疗的效果。较之传统的外科治疗方法，HIFU设备可避免和减小手术给病人带来的痛苦，因此，受到世界各国的重视，近年来得到了快速发展。
随着HIFU技术的发展，临床设备正不断出现并得到应用，如何对HIFU设备的性能进行测量和鉴定正日益受到各界的重视和关注。由于HIFU设备利用超声波作用于人体组织来达到治疗目的，因此，对其所产生的超声功率、声压和声压分布的测量显得尤为重要。
为了对医疗超声设备进行声学性能的检测，欧、美等国的研究人员已发明了多种测量方法，到目前为止，较为普及的测量方法多是依靠压电水听器来进行。作为测量用的压电水听器一般为探针式水听器，在该种水听器中，压敏元件被安置于管状探针的一端，直接接收测量声波并将其转换为相应的电压波形。探针式水听器在诊断超声设备的检测中发挥了重要作用。但是，HIFU治疗设备将产生数兆帕的连续波，传统的探针水听器将会被损坏，因此，目前各国尚没有成熟的方法来对HIFU设备的性能进行检测，显然，这对于HIFU技术的应用和设备的改进是不利的。
发明内容
本发明的目的正是为了克服上述技术的不足，而提供的一种可以对高强度聚焦换能器进行测量的反射探针型聚焦声场测量用换能器，可以解决HIFU等高强度聚焦换能器测量所面临的困难。
本发明解决技术问题采用的技术方案这种反射探针型聚焦声场测量用换能器，主要包括反射探针和聚焦换能器，所述的反射探针、聚焦换能器分别与支架固定连接，聚焦换能器设置于被测换能器的声场之外，且聚焦换能器的焦点处于反射探针反射端面的中心位置。
本发明所述的技术方案可以进一步完善。
本发明所述的聚焦换能器固定连接在支架上端的横梁上，反射探针固定连接在支架下端的横梁上，其中聚焦换能器声轴与反射探针的轴向成40°-50°的夹角，最佳的角度是45°。
本发明所述的聚焦换能器的外壳内设置有声学透镜、压敏元件和吸声背衬，其中压敏元件的正负极通过导线与输出电缆相连接。
本发明所述的反射探针为实心的金属或非金属圆锥体，前端被加工为直径为1mm-2mm的平面。
本发明所述的支架上设有连接杆，通过连接杆安装到相应的测量装置上。
本发明有益的效果是1)、与传统的工作在兆赫兹频段的水听器相比，接收换能器具有较大的接收面积和电容量，测量中可使用相对较长的电缆，并可直接连接至一般的测量仪表设备上，不需要进行接收灵敏度的修正，因此，极大地方便了测量操作。2)、通过探针的端面截获并按设计方向反射入射声波，接收换能器的焦点处于金属探针反射端面的中心位置，既可达到有效接收探针反射信号的目的，同时，由于聚焦换能器对声波的接收具有空间选择性，也有效地消除了来自其它区域声波对测量的干扰，以此达到了有效接收反射声波、消除其他入射声波干扰的目的。3)、传统的探针水听器通过固定在探针中的压电元件直接接收入射声波，本发明的反射探针型水听器，利用内部不再含有压电有源元件的探针截获和反射待测声波，接收换能器不再处于高强度声波的作用下，从而避免了声波对压力敏感元件的损害，提高了系统对高强度声波的测量能力。
图1是本发明的主视结构示意图；图2是本发明中聚焦换能器部分的结构示意图；图3是本发明中凹面压敏材料聚焦换能器轴向声压分布示意图；图4是利用本发明测量获得的HIFU换能器在不同驱动电压下焦平面上的声压分布图；
附图标记说明反射探针1，支架2，聚焦换能器3，连接杆4，声学透镜5，PZT元件6，金属外壳7，软木橡胶8，吸声背衬9，导线10，密封圈11，金属堵头12，后盖13，输出电缆14。
具体实施例方式
下面结合附图和实施对本发明作进一步介绍本发明所述的这种反射探针型聚焦声场测量用换能器(反射探针型水听器)的结构如附图1所示。它由反射探针1、刚性连接支架2和聚焦换能器3构成，反射探针1为实心的金属或非金属圆锥，前端被加工为直径为1mm-2mm的平面。聚焦换能器3设置于被测换能器的声场之外并固定连接在支架2上端的横梁上，反射探针1固定连接在支架2下端的横梁上，连接支架2由金属或具有较好刚性的非金属材料制成，其作用是使聚焦换能器3的焦点位于反射探针1端面的中心位置，并使聚焦换能器的声轴与反射探针的轴向成45°的夹角。所述的支架2上设有连接杆4，反射探针型水听器通过连接杆4安装到相应的测量装置上。聚焦换能器3由PZT或PVDF等压敏材料制造而成，通过将压敏材料加工成凹面形状或使用声学透镜使换能器具有聚焦特性。
采用声学透镜原理的聚焦换能器3的结构如附图2所示，它由声学透镜5、PZT压敏元件6、吸声背衬9、导线10、外壳7和后盖13等部件构成。声学透镜5采用环氧树脂材料，外表面被加工成凹球面形状；PZT陶瓷与环氧树脂声学透镜5、吸声背衬9在金属外壳7中被灌注为一体，吸声背衬9采用环氧钨粉材料，压敏元件PZT陶瓷的正负极被导线10连接至输出电缆14上引出，在背衬9和外壳7之间使用软木橡胶8等材料以减少外界振动对换能器性能的影响；通过O型密封圈11、金属堵头12和后盖13，换能器被设计成水密结构。
如果压敏材料6设计成凹面形式，聚焦换能器将不再需要使用声学透镜，PZT陶瓷的凹面涂覆一层环氧树脂材料后直接作为外辐射面，其余结构和透镜式聚焦换能器完全相同。
反射探针型水听器的工作原理当使用反射探针型水听器进行HIFU换能器聚焦声场的测量时，探针的反射端面将置于声场中的待测点上。入射声波在与端面作用后，将改变传播方向和传播形式，以探针端面为中心，呈球面波形式在空间散射，声压最大值方向朝向聚焦换能器。聚焦换能器将处于HIFU换能器的声场之外接收反射声波，并将其转换为相应的电压信号。由于探针为一实心圆柱体结构，可承受极高的压力，声波经探针反射到达换能器表面时声压振幅已大大减少，因此该种反射探针式水听器可应用于进行高强度聚焦声场的测量。
1.1探针反射在HIFU换能器的焦点附近，声波将以平面波形式传播。当其作用于探针的反射端面后，反射波等同与相同直径的平面换能器所发射出的声波，声压幅度取决于入射声波的强度和探针的材料。
如果频率为f的平面波正入射于不锈钢圆盘表面，反射后在距离反射面为r距离处，与入射轴线成θ角度处的声压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是一阶贝塞尔函数，P0是入射平面波振幅，k为波数，a为反射探针的半径；Zw和Zm分别为水介质和反射材料特性阻抗。
因此，平面声波经探针反射后在空间的声压分布形式与具有同样直径的平面活塞换能器相同。
当入射的平面波与圆盘的法线方向成夹角θ时，根据反射定律，反射声波与入射声波的交角为2θ。因此，如反射探针的轴线方向与入射波相交45°角，在经过端面反射后，反射声波的主极大方向将和入射声波成90°角。对于沿水平方向传播的平面波，在经过探针端面反射后，声波的主极大将出现在垂直方向。
1.2聚焦换能器聚焦换能器发射的声波将在其焦点上会聚，形成较强的声压。当该种换能器被用于接收声波时，来自其焦域中的声波将被有效地接收，转换为相应的电压信号，而来自其他区域的声波在到达敏感元件表面时相位将出现显著差异，导致声波能量相互抵消，转换的电压信号明显下降。因此，聚焦换能器对声场中的声波的接收具有较强的空间选择性。
以凹面压电材料构成的聚焦换能器为例，如果压敏材料的曲率半径为R，口径为d，弦高为h，在声轴上声场分布可用公式表示为
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是水介质的密度，c0为水介质中的声速，v0为聚焦换能器表面的振速。根据上式可得出轴线上声压最大值的位置，也就是焦点位置。设d/R＝0.45，轴线上声压分布如图3所示，其最大值出现在x≈0.9R。如使用该换能器作为接收水听器，来自焦点处x≈0.9R的声波将会被最有效的接收。
1.3反射探针型水听器灵敏度反射探针型水听器灵敏度由探针的反射强度、聚焦换能器的灵敏度以及探针和换能器之间的相对位置所共同决定。
聚焦换能器的灵敏度由换能器的结构、有源材料和无源材料的特性决定。在压电元件的谐振频率远高于工作频率、聚焦换能器的半径大于测量频段声波的波长、背衬材料的散射和反射影响可以不考虑的条件下，换能器的接收灵敏度响应将趋于平坦。为方便分析，设反射探针端面的中心位置位于聚焦换能器的球心位置，来自HIFU换能器的声波在探针端面反射后，向聚焦换能器方向传播，则到达聚焦换能器敏感元件表面的声波将处于同相位。根据公式(1)，作用在换能器表面的声压积分可表示为P‾=2π·a·rP0(f)·(Zm-ZwZm+Zw)∫0αJ1(kasinθ)dθ---(5)]]>式中，α为声波经探针反射后被聚焦换能器接收到的波束开角的一半。当声波波长λ＞a时，(5)式可以进一步简化为P‾=πa2P0(f)·r·ωc(1-cosα)---(6)]]>(6)式显示，由于经探针反射的声波随着频率的升高会呈现越来越强的空间指向性，较多的声波能量将会被换能器表面所接收。因此，反射探针式水听器的灵敏度将以每倍频程6dB的速度增加。但在实际制作过程中，受到探针和聚焦换能器相对位置等因素的影响，反射探针型水听器灵敏度随频率的增加速度将会低于上述理论计算结果。
2.运用反射探针型水听器测量结果2005年9月在重庆海扶公司通过运用反射探针型水听器对HIFU换能器焦平面上的声压分布进行了实际测量，测量结果见附图4所示。
测量在半消声水池中进行，通过夹具将HIFU换能器固定在水池中，反射探针型水听器被安装在水池中坐标机构上，该坐标机构可沿X、Y、Z轴方向平动，其中，X轴方向与HIFU换能器的声轴方向重合，Y、Z轴方向与换能器的声轴方向垂直，坐标轴的圆点位于换能器的焦点上。测量中，反射探针型水听器沿水平方向Z轴做扫描运动，运动步进为0.2mm；输入换能器的电压分别为200V，400V，800V，1kV，1.5kV和1.8kV。
测量结果显示，该HIFU换能器的焦点直径约为2mm，该结果和传统的探针水听器测量结果相同，由此验证了新型反射探针型水听器测量结果的正确性。图4结果也显示，该反射探针型水听器可在较大的动态范围内使用，可以测量幅度达10MPa以上的声压，远高于通常的探针水听器所能检测的声压幅度；测量过程中使用的是连续波，而图4显示出较为理想的HIFU换能器的声压分布结果，这一实验结果显示了新型的反射探针型水听器具有较好空间分辨能力和较强的抗干扰能力，反射探针型水听器的这些特征使其十分适合于进行HIFU换能器的测量。
权利要求
1.一种反射探针型聚焦声场测量用换能器，主要包括反射探针(1)和聚焦换能器(3)，其特征在于所述的反射探针(1)、聚焦换能器(3)分别与支架(2)固定连接，聚焦换能器(3)设置于被测换能器的声场之外，且聚焦换能器(3)的焦点处于反射探针(1)反射端面的中心位置。
2.根据权利要求1所述的反射探针型聚焦声场测量用换能器，其特征在于所述的聚焦换能器(3)固定连接在支架(2)上端的横梁上，反射探针(1)固定连接在支架(2)下端的横梁上，其中聚焦换能器(3)声轴与反射探针(1)的轴向成40°-50°的夹角。
3.根据权利要求1或2所述的反射探针型聚焦声场测量用换能器，其特征在于所述聚焦换能器(3)的外壳(7)内设置有声学透镜(5)、压敏元件(6)和吸声背衬(9)，其中压敏元件(6)的正负极通过导线(10)与输出电缆(14)相连接。
4.根据权利要求1或2所述的反射探针型聚焦声场测量用换能器，其特征在于所述的反射探针(1)为实心的金属或非金属圆锥体，前端被加工为直径为1mm-2mm的平面。
5.根据权利要求1所述的反射探针型聚焦声场测量用换能器，其特征在于所述的支架(2)上设有连接杆(4)，通过连接杆(4)安装到相应的测量装置上。
全文摘要
本发明涉及一种反射探针型聚焦声场测量用换能器，主要包括反射探针和聚焦换能器，所述的反射探针、聚焦换能器分别与支架固定连接，聚焦换能器设置于被测换能器的声场之外，且聚焦换能器的焦点处于反射探针反射端面的中心位置。本发明有益的效果是1)、具有较大的接收面积和电容量，测量中可使用相对较长的电缆，并可直接连接至一般的测量仪表设备上，不需要进行接收灵敏度的修正。2)、能有效接收探针反射信号，也有效地消除了来自其它区域声波对测量的干扰，以此达到了有效接收反射声波、消除其他入射声波干扰的目的。3)、接收换能器不再处于高强度声波的作用下，避免了声波对压力敏感元件的损害，提高了系统对高强度声波的测量能力。
文档编号G01M99/00GK1818573SQ200610049779
公开日2006年8月16日 申请日期2006年3月10日 优先权日2006年3月10日
发明者王月兵, 叶方伟 申请人:中国船舶重工集团公司第七一五研究所, 重庆海扶(Hifu)技术有限公司