声场测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及超声技术领域，尤其涉及一种声场测量装置及方法。
【背景技术】
[0002] 声场成像广泛存在于应用于超声检测和超声医疗，尤其是超声诊断中，声压需要 严格限制，不能超过规定值，为此，相关规定要求相关设备在使用前和使用中定期进行声场 声压分布测量和声场声压定量测量，所以测量声场声压分布和准确定量测量声压显得尤为 重要。
[0003] 传统的测量方法都具有一定的局限性，常见的测量方法有：
[0004] (1)水听器法：由于适用于各种流体中声场的测量。但该方法属于侵入式测量方 法，由于水听器要预先校准；水听器的引入使原来的声场发生变化，此法测量误差较大，尤 其是高频声场的定量测量，且测量声压分布时效率较低；
[0005] (2)基于辐射力天平测量的方法：连续声波垂直入射于反射靶，测量靶上接收到 的声辐射力，计算声功率。该方法只能测量平面活塞换能器和圆孔径球面聚焦超声换能器 辐射连续声波的声功率，对于复杂的声场（如线聚焦声场）声功率的测量目前还没有辐射 压力和声压的定量关系，也不能用于精确测量脉冲声场的声功率和声压，不能用于测量声 压分布。
[0006] (3)量热法测量声功率：超声对高吸收物质作用后产生的热量引起温度升高，测 量温升，经校准和计算，得到声功率，温度变化还可以通过测量声速来确定。
[0007] (4)自易法和互易法：对于互易的电声换能器，其接收灵敏度和发送响应之比为 一常数，即为互易常数，分别测量若干对发射换能器-接收换能器排列对的换能器转移阻 抗，应用互易常数可计算得到换能器的发送响应。进而理论计算出声场强度，很明显，该方 法是一种换能器校准方法，不适合用于定量测量声场。
[0008] (5)Michelson干涉条纹法：声场引起媒质折射率的变化进而影响Michelson干 涉条纹的变化，通过分析干涉条纹的变化，计算声压；或者通过Michelson干涉仪测量声福 射面的振幅估算换能器辐射声压。但是该方法只适合于50KHz以下的低频超声场的测量， 0. 3MHz以上的高频声场的定量测量比较困难。
[0009] 然而在医学超声诊断和应用中，所用的超声波频率一般为兆赫兹量级，对于平面 波声场，声场的衍射光分布呈一系列的亮点，亮点间距与声波长有关，光强度与声压有关， 当相邻两个点能清楚区分时就可以对声场进行定量测量，而对于聚焦声场，其焦斑可以近 似为平面波，也可以进行定量测量。
【发明内容】
[0010] 本发明所要解决的技术问题在于，提供一种声场测量方法及装置，可以测量声场 声压分布和准确定量测量声压。
[0011] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种声场测量装置，包括：数据处理器、激 励信号发生器、激励信号放大器、换能器、激光器、发散透镜、凸透镜、第一分光镜、第二分光 镜、反光镜、第三分光镜、傅里叶变换透镜、第一图像传感器和第二图像传感器，其中，
[0012] 所述数据处理器、所述激励信号发生器、所述激励信号放大器和所述换能器依次 连接，所述数据处理器用于发送开始信号至所述激励信号发生器，所述激励信号发生器用 于在收到所述开始信号时发出激励信号，所述激励信号放大器用于将接收的激励信号进行 放大，所述换能器用于根据放大的激励信号辐射声波，产生声场；
[0013] 所述激光器、所述发散透镜、所述凸透镜、所述第一分光镜、所述换能器产生的声 场、所述第二分光镜、所述傅里叶变换透镜和所述第一图像传感器依次设置在同一直线上， 所述反光镜垂直设置于所述第一分光镜的下方，所述第三分光镜垂直设置于所述第二分光 镜的下方，且所述反光镜、所述第三分光镜和所述第二图像传感器依次设置在同一直线上， 从而使经过声场的光线通过所述傅里叶变换透镜后，在所述第一图像传感器产生衍射光斑 图像，使经过声场的光线和未经过声场的光线干涉，在所述第二图像传感器产生声场的光 学非侵入式成像；
[0014] 所述第一图像传感器和所述第二图像传感器分别连接所述数据处理器，所述数据 处理器还用于获取所述衍射光斑图像和所述声场的光学非侵入式成像，并根据所述衍射光 斑图像和所述声场的光学非侵入式成像计算声场声压和声场声压分布。
[0015] 进一步的，在测量液体中的声场声压和声场声压分布时，所述声场测量装置还包 括液体槽，所述液体槽中盛有液体，所述液体槽底部放置有声吸收体，所述液体槽设置于所 述第一分光镜和所述第二分光镜之间，所述换能器头部浸入所述液体槽中，声轴位于所述 傅里叶变换透镜的前焦面上，在液体槽中产生声场。
[0016] 本发明还提供了一种声场测量方法，所述方法是基于上述的声场测量装置，则所 述方法包括：
[0017] 打开激光器，调整所述第一图像传感器亮度、位置和方向，从而使得没有声场时， 所述第一图像传感器上成的像接近圆形斑点，且圆形斑点最小，并位于所述第一图像传感 器的中心部位；
[0018] 在所述数据处理器上设置延时曝光，并发送开始信号至所述激励信号产生器，促 使所述换能器根据放大的激励信号辐射声波，产生声场；
[0019] 延时到达后，所述第一图像传感器和所述第二图像传感器曝光，使所述数据处理 器获取在所述第一图像传感器产生的衍射光斑图像，以及所述第二图像传感器产生的声场 的光学非侵入式成像；
[0020] 所述数据处理器根据获取的所述光学非侵入式成像的灰度值或颜色值得到声场 的声压分布，其中，当声场引起光相位变化在一个周期之内时，所述光学非侵入式成像的灰 度值或颜色值与声场的声压为线性关系；
[0021] 所述数据处理器根据获取的所述衍射光斑图像的光斑间距和光斑强度计算得到 声压。
[0022] 进一步的，所述方法还包括：
[0023] 当测量声场中部分区域的声压时，将光阑放置于声场后方，使得经过需要测量的 声场区域的光透过光阑被检测，其它部分的光被光阑遮挡；所述数据处理器根据获取的所 述衍射光斑图像的光斑间距和光斑强度计算得到声压。
[0024] 其中，所述数据处理器根据获取的所述衍射光斑图像的光斑间距和光斑强度计算 得到声压，具体包括：
[0025] 根据获取的所述衍射光斑图像的光斑间距计算得到声速，其中，
[0026] c。= f a λ Myf2/ Λ u，式中，c。表示声速，Λ U表示光斑间距，f a为声频率，f 2为所述 傅里叶变换透镜的焦距，Xray为激光器发射的光线的波长；
[0027] 根据获取的所述衍射光斑图像的光斑强度和声速计算得到声压沿光路的积分，其 中，
[0028] 式中，穸表不声压沿光路的积分，Im、Im r Im+1分别 是m阶、m+1阶和m-1阶衍射光斑的光强，αρ是压光系数，P。是声场所在介质的密度；
[0029] 根据光路上声压最大值与所述声压沿光路的积分之间的关系，计算得到光路上声 压最大值，其中，
[0030]
式中，Psp表示声压最大值，f(psp)表示声压最大值与所述声压沿 光路的积分之间的关系，L。表示换能器沿光路方向的长度；
[0031] 根据光路上其它点与声压最大值的关系，定量求出光路上任意一点的声压。
[0032] 进一步的，所述方法还包括：
[0033] 调节所述激励信号发生器的激励电压，从而得到不同电压激励下的声场声压，得 到激励电压和换能器的声场声压的关系，从而实现对换能器的校准。
[0034] 本发明具有以下有益效果：
[0035] 1、本发明可以测量声场声压分布和定量测量声压。
[0036] 2、第一图像传感器和第二图像传感器同时曝光且曝光时间相同，可以设定图像传 感器曝光的起始时刻和换能器激励信号起始时刻的延时，实现对行波声场和不同时刻脉冲 声场的成像和定量测量，对于脉冲声场，改变延时可以实现对声场的动态成像和测量。
[0037] 3、对于聚焦声场，其焦斑声场可近似为平面波声场，因此可以采用光阑进行定量 测量，通过选择合理的光阑和光阑位置，可实现对声场中某部分区域的声压进行定量测量， 可实现各种形式的液体和气体中声场的成像和聚焦声场焦斑声压的定量测量。
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