基于激光偏转法的非线性HIFU声场焦点声压检测

摘要

研究背景: 高强度聚焦超声（High Intensity Focused Ultrasound, HIFU）焦点声压是HIFU声场的一个重要参数，焦点声压检测对HIFU设备的研制和应用具有重要的指导意义。近年来，高强度聚焦超声发展迅速，其焦点声压最高可达108Pa量级。随着HIFU声场焦点声压的增高，声场的非线性效应也随之增强，声场情况变得更为复杂，大大增加了声场检测难度，目前还没有完全理想的检测方法能准确测量非线性HIFU声场的焦点声压。 目前针对高强度聚焦超声焦点声压定量检测的方法有水听器法（包括压电水听器、薄膜水听器、光纤水听器等）、声光衍射法、激光测振法等。压电水听器只适合用于测量低功率驱动下的声压，高功率驱动换能器时，会使焦点处产生非线性效应而导致传感器灵敏度降低，甚至可能损坏水听器；而且测量时需将水听器置于声场中，这会干扰声场的分布，导致测量结果存在误差。光纤水听器法是目前测量高声压采用的主要方法，虽然该方法能够测量的声压达到107～108 Pa量级，但检测时也要将光纤传感器放置于声场中，这又将会影响聚焦超声场的分布，而且在水中放置传感器容易使该处发生空化，导致测量结果与声场中真实的声压值不一致，而且高声压及空化作用容易使光纤水听器损坏。声光衍射法是指声波在透明介质中传播时，会引起介质折射率变化，形成一个光学“光栅”；当光束穿过介质后，会在远场形成稳定的衍射图样，各级衍射条纹的光强分布由相应阶次的Bessel函数决定，从而可推导出衍射光强与声压的关系。该方法虽然可以测量较高的声压，但由于衍射光强的的分布容易受到干扰，而且强度分布与假设模型有关，要推导衍射光强与声压的关系是非常复杂的，所以在实际测量中很少采用该方法。激光测振法是利用超声作用下水介质的振速与声压的关系来测量声压的。虽然运用激光进行测量可达到非常高的空间分辨率，但是这种方法装置较复杂，声压增大时可能损坏反光膜片，故不适用于检测高声压。针对以上问题，需寻求一种不影响声场分布、不造成测量仪器损坏，而且能方便测量非线性HIFU声场焦点声压的方法。 研究目的: 探讨一种针对非线性HIFU声场焦点声压的无损检测方法，并提出简易可行的实验模型，快速测量焦点声压值。 研究方法: 基于Raman-Nath声光相互作用理论，当一窄平行光束垂直入射穿过一定频率超声场时，由于声场作用下的透明介质其折射率会随时间发生周期性变化，光束传播穿过这种介质时将发生周期性偏转，偏转角度（或距离）可由远处一光斑接收屏上呈现的光斑图像获得。根据声光相互作用理论，首先从理论上建立激光穿过非线性HIFU声场焦点后的光偏移量与焦点声压的关系，然后在不同驱动功率下，采集激光穿过换能器声场焦点后形成的光斑图像，并计算不同功率下光斑长度对应的焦点峰值声压。 为验证激光检测的理论模型是否可行，在相同条件下采用光纤水听器测量焦点声压，比较相同条件下两种测量方法所得的结果。 结果: 1.激光穿过焦点后形成的光斑长度随换能器驱动功率的增加而增加，计算得到的焦点峰值声压也随之增加。焦点峰值声压可通过偏转光斑长度快速计算获得。 2.比较两种测量方法得到的焦点峰值声压，发现驱动功率小于110W时，相对误差小于5%；驱动功率小于250W时，相对误差在15%以内；驱动功率大于250W后，相对误差大于15%，但小于20%。 结论: 本文提出的针对非线性HIFU声场焦点声压的激光检测方法是可行的，而且激光检测得到光斑长度后即可快速计算焦点声压峰值，测量效率。

目录

声明

英汉缩略语名词对照

前言

第一部分 声光相互作用检测焦点声压的理论模型

1 声光相互作用理论

2 高强度聚焦超声的声场分布

3 光束偏转距离与焦点声压的关系

4 焦点峰值声压测量的实验模型

5小结

第二部分 激光偏转检测焦点声压的实验研究

1实验材料与装置

2 实验方法

3 实验结果

4 讨论

5小结

全文总结

参考文献

文献综述:聚焦超声焦点声压的光学检测方法评述

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文