聚焦超声声功率和声场测试实验报告

聚焦超声声功率和声场测试实验报告 聚焦超声声功率和声场测试实验报告 【实验目的】 1、掌握辐射力天平法测量声功率的原理及其计算方法。 2、掌握水听器法测量聚焦超声声场的原理及方法。 3、掌握辐射力天平法测量声功率、水听器法测量声场。 【实验设备及仪器】 声学实验水槽、透声薄膜、新鲜离体牛肝组织、生物组织脱气装置、刻度尺、解剖刀、超声声功率计、HIFU治疗头、HIFU功率源、HIFU水处理装置等。 治疗头参数:直径:150mm ，频率: 0.84MHz，焦距:110mm。 【实验原理】 声功率的测量采用的是辐射力天平法。辐射力天平法是建立在自由场中的声波行波作用于障碍物(靶)上的郎之万辐射力与声源声功率成正比例关系的原理基础之上的。测定靶上所受的辐射力，通过用比例常数计算出声功率。此方法适用范围已达到25MHz ，在低频范围内，量程可以达到500W以上。 郎之万辐射压力:声场中随流点一起运动的物体，面上受到的时间平均压力与无限远处的静压力之差。它等于声场中流点处平均动能密度和平均位能密度之和。即流点的能量密度的时间平均值。它与媒质的非线性无关，是由横向尺度不受限制的平面波产生的。 PFc,当使用全吸收靶时, (c 为媒质声速);球面聚焦声束(半孔径角,PFc,，2/(1cos),mm)，垂直入射全吸收靶时，;聚焦器中间开有圆孔时:PFc,，2/coscos,,,,，，mmimmi其中 为球面聚焦声束的半孔径角， 为聚焦器中间的圆孔的半孔径角。本实验采用的换能器为中间开有圆孔的球面聚焦换能器。 声场特性测量采用水听器法。采用已校准的性能适当的测量水听器，置于水中声场内测量场点的声压波形及其分布。声场中水听器接收面所在位置的声压P(x、y、z、t)可由水听器的输出电压(xU、y、z、t)得到: HH P(x、y、z、t)= U(x、y、z、t)/M HHL ML为水听器自由场电缆末端有载电压灵敏度。在连续波作用的聚焦换能器的声场中，使用水听器采集焦点附近区域的声压值，并通过软件模拟出自由场中超声声场特性。 【实验步骤】 1、在水槽一端将水听器安装在三维运动装置上，把输出端接在示波器上;在水 槽另一端将换能器固定在水槽中。 2、将治疗头的功率由小到大调节到水听器的测量范围之内，观察示波器的波 形，并不断调整示波器的显示值，达到最佳读数效果。 3、在治疗头产生的声场区域不断移动水听器的位置，寻找最大声压处;找到最 大声压值处时，记录下坐标;固定三维坐标中的任意两个方向，顺着第三个 方向左右移动水听器，并分别记录下坐标和声压值。 【实验原始数据】 我们小组固定X轴为25.7cm,Z轴为25.7cm。改变Y轴的数值，记录数据如下表。 Y/cm 13.0 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6 13.7 13.8 V/mV 6.48 7.46 7.88 6.28 7.20 5.68 5.28 6.28 5.46 Y/cm 13.9 14.0 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 14.7 V/mV 5.46 7.88 8.08 6.88 4.86 4.28 7.46 7.68 3.88 Y/cm 14.8 14.9 15.0 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 V/mV 5.46 5.68 7.40 8.66 6.68 5.26 11.68 15.28 7.88 Y/cm 15.7 15.8 15.9 16.0 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 V/mV 3.08 11.46 16.88 18.46 14.46 4.28 9.88 10.88 11.88 Y/cm 16.6 16.7 16.8 16.9 17.0 V/mV 11.20 3.88 7.80 8.08 6.20 【数据分析】 从实验数据中可以看出，当Y轴为16.0cm时，声压值最大为18.46mV. 【思考题】 (1)聚焦超声的声场特点，表征声场特征的参数有那些, 声场特点: z,,/,1)远场区:距离换能器输出面很远的区域，称为far field 。 声场特点:声压逐渐减小，振动幅度与换能器距离成反比，声压与粒子振 动 速度同相。 2)近场区:在平面换能器中，近场区是靠近换能器输出面的区域，称为near ,field。Z< A/π 声场特点:声压与质子振动速度不同相，声速横截面上的声压随距离变化很 大. 1)过渡区:近场区和远场区之间的。 声场特点:区域轴上声压随距离增大，由最后一个极大值开始单调递减，粒 子速度与声压不同相 声场参数有:声功率、声强、声压、时间平均声强、-6dB声速面积内时间平均声强的空间平均值、脉冲平均声强、空间峰值声强、负峰值声压 (2)影响一个聚焦超声换能器声场分布的因素有那些，是如何影响的, 影响声场的因素: 1)频率:频率越大聚焦效果越好 2)结构(直径大小):直径越大聚焦效果越好 3)焦距:焦距越小聚焦效果越好 4)曲率半径:曲率半径越小越好 【实验心得】 通过本次实验，了解到了超声治疗的生物学效应及其机制。 在小组同学的团结合作下，认真的完成了本次实验的所有操作，包括读数记录调制等等。同时也让我更加深刻了解到超声治疗在临床应用中的伟大贡献，不用开刀也无需流血就能治愈疾病的无创治疗，给病人带来了康复。也为世界的医药卫生事业创建了先河，未来将会是一种无可替代临床治疗方法。