基于压电效应的超声换能器声功率测量研究

摘要

超声换能器是超声设备的核心组成部件，已广泛应用于医疗、工业、农业、军事等领域。声功率作为描述超声换能器声输出量的重要超声特性参数测量指标，是评价和控制超声设备质量的最重要依据之一，它的准确与否将直接关系到超声设备的安全性和可靠性。特别是，针对聚焦超声换能器在临床肿瘤治疗上的应用，换能器声功率的设置是影响疾病治疗效果以及状态的关键因素之一。因此，为了使超声设备得到更好地控制与应用，声功率测量技术的精准性和简易性便成为超声设备工程设计以及计量检测中的重点考虑方向。
　　针对目前测量换能器声功率的技术手段存在的一些问题，例如用于接收声场作用的吸收靶以及反射靶对声场本身易造成干扰，且锥形反射靶对中轴对称性要求较高，操作比较复杂，易受到环境的影响，本文提出了一种基于压电效应的超声功率测量方法，旨在提升声功率测量技术的简便性以及快捷性。采用压电陶瓷片直接接收超声信号，将声信号转换成电信号，根据输出压电信号的幅度变化来反映换能器声功率的变化，通过包络检测技术获取压电陶瓷片在回波干扰发生前受到声波作用后输出的最大峰值电压，结合压电信号与声功率之间的数值换算，从而实现了声功率的简便测量，且避免了反射声波的干扰。
　　对此，本文从理论和实验方面主要做了以下研究工作：
　　1.从超声换能器的应用价值以及声功率测量的重要性出发，比较目前存在的几种声功率测量技术的优缺点，阐明提升声功率测量技术简便性和精确度的关键点，以及预期达到的测量效果。
　　2.采用压电陶瓷片直接接收声波作用，由于声波入射到压电陶瓷片表面会发生反射，反射声波传播到换能器表面时会影响声功率的输出，之后的声功率会有所下降，在压电陶瓷片表面形成的声波作用力也会随之下降，根据压电效应，两端输出的压电信号会产生相应的幅度变化，从而将发射换能器的声功率变化转化成电信号的形式。
　　3.结合压电方程以及机电类比的方式，得到压电陶瓷片输出压电信号的组成模式，找出描述声功率变化的信号特征值，确定输出压电信号与换能器声功率之间的理论转换模型。
　　4.压电信号的处理是比较关键的一个环节，通过介绍包络检测技术的基本原理，分析几种提取信号包络方法的优缺点，总结出局部峰谷点插值算法较小波变换、希尔伯特黄变换几种包络提取方法的优势所在，并利用该方法对输出压电信号进行包络提取，获得表征声功率变化的电压幅度曲线，其与理论分析曲线图呈现出一致的变化趋势。
　　5.分别找出不同换能器驱动电压下包络曲线的最大峰值电压，将其平方值与基于辐射压力法声功率计所测声功率进行线性拟合，并对理论关系式中的比例系数进行标定。在不同换能器驱动电压下，标定后所得声功率理论值与声功率计所测声功率值的分布曲线基本重合，证明该测量方法是切实可行的。

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第一章 绪论

1 超声换能器

2 压电效应简介

3 包络检测技术概述

4 本文主要的研究内容和目的

第二章 压电信号与声功率的关系分析

1 压电信号的产生

2 来回声波对声功率输出的影响

3 压电陶瓷片输出电压值与声功率的关系

4 本章小结

第三章 压电信号采集和声功率计测量

1 压电信号采集

2 声功率计测量

3 本章小结

第四章 实验结果

1 压电信号的获取与处理

2 最大输出电压与声功率之间的关系曲线

3 本章小结

全文总结

参考文献

文献综述: 聚焦超声换能器声功率测量方法

致谢

攻读硕士期间发表的论文