高 楚, 高申平, 姚 磊, 鄭慧峰,吳德林, 王蕭博, 張亨達

(1. 中國計量大學 計量測試工程學院，浙江 杭州 310018；2.浙江省計量科學研究院，浙江 杭州 310018；3.國家市場監(jiān)管重點實驗室(聲學振動精密測量技術(shù))，浙江 杭州 310018；4.浙江省聲學振動精密測量技術(shù)研究重點實驗室，浙江 杭州 310018)

1 引 言

超聲具有易于聚焦、指向性好、穿透性強、無輻射危害等優(yōu)勢,目前已廣泛運用于醫(yī)學診斷、治療領(lǐng)域[1～6]。然而在實際使用中,高強度超聲設備超聲劑量主要依據(jù)醫(yī)生的經(jīng)驗,存在較大的安全隱患,可能會對人體組織造成損傷。因此對高強度超聲設備的聲場表征極為重要。

對于高強度超聲聲場聲壓定量檢測的常用方法有:水聽器法、激光測振法等。水聽器法[3～11]具有高靈敏度、穩(wěn)定性好、準確度高等優(yōu)點,是現(xiàn)階段超聲聲場測量的主要測量方法,但在高強度聲場測量中的高聲壓與高溫會影響水聽器測量結(jié)果的準確性,甚至會導致水聽器的永久性損壞。激光測振法[1,7,12～17]可實現(xiàn)對聲壓、聲功率等多參數(shù)的測量,在測量時具有非接觸、空間分辨率高等優(yōu)點,可實現(xiàn)高強度超聲聲場測量。

激光測振法中,需要在輻射聲場中放置薄膜,通過測量薄膜的振動速度得到質(zhì)點的振動速度,根據(jù)振動速度與聲壓的關(guān)系實現(xiàn)超聲聲場的測量。薄膜的厚度通常在3～5 μm[7,12～13],涂有厚度為25 nm左右的金或鋁層,以增加光反射率。在測量中薄膜可視為一個傳感器件,當激光測振儀檢測到薄膜振動的位移信號時,聲波已經(jīng)穿過了薄膜,此時對于薄膜的聲壓透射系數(shù)必須進行修正。邢廣振使用激光外差干涉儀對水聽器進行了校準,并對薄膜(厚度為5 μm,鍍金層厚度為20 nm)的聲壓透射系數(shù)進行了分析[9]。但是在高聲壓聲場測量中,為了防止高聲壓將薄膜擊穿,本文采用薄膜的厚度為15 μm,兩側(cè)鍍鋁層的厚度為40 nm,此時更需考慮薄膜厚度對聲場的影響。

基于上述現(xiàn)狀,本文搭建了實驗裝置在1 MHz頻率下,分別采用激光測振儀與標準水聽器對高強度聚焦超聲換能器的聲場進行測量,驗證了激光測振法測量高強度聚焦超聲聲場的可行性。針對激光測振法在聲場中安置薄膜對測量結(jié)果造成影響這一問題,通過多層介質(zhì)阻抗傳遞法計算了不同頻率下薄膜的聲壓透射系數(shù),并搭建實驗對理論計算的薄膜聲壓透射系數(shù)的修正效果進行了證明。

2 基本理論

2.1 激光測振法原理

平面波在水介質(zhì)中傳播時,水介質(zhì)的質(zhì)點振動速度為u0與聲壓p0之間存在以下關(guān)系式[7,8]:

p0=ρcu0

(1)

式中:ρ為水介質(zhì)的密度;c為水介質(zhì)中聲波的傳播速度。

激光測振法測量聲場的原理如圖1所示。在超聲換能器輻射聲場中放置薄膜,使用激光測振儀測量超聲換能器超聲信號引起的薄膜振動,根據(jù)薄膜振動速度與聲壓的關(guān)系,進而實現(xiàn)超聲聲場的測量。

其中薄膜是以PET為基底,兩側(cè)鍍有鋁層。當薄膜厚度遠遠小于聲波波長時,可將薄膜與周圍的水介質(zhì)視為等幅同相運動[7,9,18]。通過對薄膜的振動速度測量,導出水介質(zhì)中質(zhì)點的振動速度,根據(jù)式(1)中所表述的關(guān)系便可導出聲壓值,實現(xiàn)超聲換能器聲場的測量。

2.2 薄膜的聲透射系數(shù)修正

在實際應用中,雖然薄膜厚度遠小于聲波波長,但薄膜并非理想地跟隨聲波振動[7,9]。為了更加準確評估薄膜對聲壓測量的影響,本文采用了多層介質(zhì)聲阻抗傳遞法計算薄膜的透射系數(shù)[9,19]。

當薄膜置于水面時,其多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)透射聲波視圖如圖2所示,其中PET介質(zhì)層的厚度為15 μm,兩側(cè)的鋁層厚度為40 nm。

圖2 聲波透射示意圖Fig.2 Schematic of sound wave transmission

(2)

(3)

把它們排成列矢量的形式,將公共因子exp[i(kyy-ωt)]消去,記作p(x),可得到:

p(x)=Zn(x)An

(4)

式中:

(5)

由于在x=dn-1界面左右側(cè)的聲壓和法向速度是連續(xù)的,因此得到等式:

p(dn-1)=Zn-1(dn-1)An-1=Zn(dn-1)An

(6)

由此可以推導出:

(7)

同時由于鍍鋁層的聲阻抗(Z3=16.9M Rayl)遠遠大于空氣的聲阻抗(Z4=428.6 Rayl),聲波在入射到薄膜時,在薄膜和空氣界面處會發(fā)生全反射,可以認為薄膜-空氣的交界處聲壓接近于0[9],即Ata≈0。

當x=dn時:

(8)

聯(lián)立式(7)和式(8)可推導出激光測振儀測得薄膜振動速度為:

(9)

再計算在水面處未放置薄膜,即聲波從水中入射到水-空氣界面上時,激光測到的水面振動速度為:

(10)

結(jié)合式(9)和式(10),可以計算薄膜放置前后,激光測到的質(zhì)點振動速度之比為:

(11)

根據(jù)式(1)可知,當聲波是以平面波的形式傳播時,聲壓與質(zhì)點振動速度成正比,那么式(11)計算得到的結(jié)果即為振動速度之比,采用該值的模作為聲壓透射系數(shù)K。

經(jīng)過仿真計算得到不同頻率下薄膜對聲壓透射的影響,其結(jié)果如圖3所示,隨著信號頻率上升,薄膜透射系數(shù)下降。因此,在超聲頻率情況下,激光測振法測量結(jié)果中有必要考慮薄膜的透聲系數(shù)并對結(jié)果進行修正,以減小測量誤差。

圖3 不同頻率下薄膜的聲壓透射系數(shù)Fig.3 Sound pressure transmittance of films at different frequencies

3 實驗與結(jié)果

3.1 激光測振法與水聽器法對比實驗

在聚焦換能器的輻射聲場中,焦平面處的聲場可近似為平面波傳播[7,18],因此,對于聚焦聲場的焦平面聲場測量而言,只需要測得焦平面處質(zhì)點的振速分布,便可根據(jù)質(zhì)點振動速度與聲壓的關(guān)系推導得到聚焦聲場中焦平面的聲壓分布。測量裝置如圖4所示。測量前將薄膜水平放置于水面,薄膜下表面無氣泡,調(diào)整激光測振儀使得激光束與薄膜面垂直。測量過程中通過行走機構(gòu)控制超聲換能器實現(xiàn)三軸移動,使用激光測振儀測量薄膜的振動速度,根據(jù)式(1)即獲得焦平面的聲場測量結(jié)果。

圖4 激光測振法與水聽器法測量示意圖Fig.4 Schematic of laser vibration measurement and hydrophone measurement

在不同激勵電壓下,利用激光測振儀對聚焦換能器作用下薄膜的振動速度進行測量,分析基波信號、二次諧波與三次諧波信號,結(jié)果如表1所示。

表1 不同電壓下薄膜的振動速度Tab.1 Vibration velocity of film under different voltages

根據(jù)式(1),實驗室測量水溫為20℃,當前水溫下:ρc=1.48×106kg·m-2·s-1,得到聚焦換能器焦點處的聲壓如表2所示。

表2 不同電壓下聚焦換能器焦點聲壓值Tab.2 The focal sound pressure value of the focusing transducer under different voltages

根據(jù)表2繪制出聚焦換能器在不同激勵電壓下采用激光測振法測量得到的焦點聲壓隨著激勵電壓的變化如圖5所示。

圖5 不同電壓下激光測振法測得焦點聲壓值Fig.5 Focus sound pressure measured by laser vibrometry under different voltages s

利用標準水聽器對1 MHz聚焦換能器在不同聲壓下進行測量,測量時水溫為20℃,通過對示波器測量得到的信號進行FFT頻譜分析,得到標準水聽器對高強度聚焦探頭輻射的高強度聚焦超聲聲場的基波測量值、二次諧波測量值和三次諧波測量值,如表3所示。

表3 不同電壓下水聽器測得焦點聲壓Tab.3 Focus sound pressure measured by hydrophone at different voltages

根據(jù)表3數(shù)據(jù)繪制出不同電壓下聚焦換能器焦點聲壓值,如圖6所示。

圖6 不同電壓下水聽器測得焦點聲壓值Fig.6 Focus sound pressure measured by laser method under different voltages

結(jié)合表2與表3數(shù)據(jù),計算得到激光測振法測量1 MHz頻率下的測量誤差在10%以內(nèi),如表4所示。

表4 不同電壓下激光測振法與水聽器法測得焦點聲壓Tab.4 Focus sound pressure measured by laser vibrometer and hydrophone under different voltages

根據(jù)表4繪制出聚焦換能器在不同激勵電壓下分別采用激光測振法與水聽器法測得焦點的基波聲壓隨著激勵電壓的變化如圖7所示。

圖7 激光測振法與水聽器法測得焦點聲壓對比圖Fig.7 Comparison of focus sound pressure measured by laser vibration measurement method and hydrophone method

為了進一步驗證激光測振法對聚焦換能器聲場測量結(jié)果的可靠性,在激勵電壓為130 V的情況下,分別使用兩種測試方法對高強度聚焦超聲換能器的焦平面聲場進行掃描測量,實測測得的焦平面聲壓分布如圖8所示。

對上述實測的聲場分布結(jié)果對比分析,可以看出兩種方法測量的聲壓分布基本一致。水聽器法測得的焦點聲壓值為5.676 MPa,激光測振法測得的焦點聲壓值為5.240 MPa,兩者對比誤差為7.68%。在焦平面上,標準水聽器測得的-6 dB焦斑的直徑為2.75 mm(如圖8(a)所示),激光測振法測得的 -6 dB 焦斑的直徑為2.85 mm(如圖8(b)所示),兩種方法測得的-6 dB區(qū)域基本一致。

3.2 不同頻率下薄膜透射系數(shù)的實驗驗證

分別采用激光測振儀與標準水聽器對1、5、10 MHz 的超聲換能器進行測量。采用理論計算得到的聲壓透射系數(shù)對激光測振法測得的數(shù)據(jù)進行修正,對比了修正前后測量誤差,測量結(jié)果如表5所示。

表5 不同頻率下激光測振法與水聽器法測量結(jié)果Tab.5 Measurement results of laser vibration measurement method and hydrophone method at different frequencies

由表5可知,在1 MHz頻率下聲壓透射系數(shù)對數(shù)據(jù)進行修正結(jié)果影響不大,5 MHz和10 MHz頻率下,測量結(jié)果誤差明顯下降。

5 結(jié) 論

本文使用激光測振儀與標準水聽器對高強度聚焦超聲換能器的聲場進行測量,兩種方法的測量得到焦點的基波聲壓值誤差在10%以內(nèi),得到的二次諧波與三次諧波基本一致,得到的焦平面聲壓分布結(jié)果較為一致。基于多層介質(zhì)聲阻抗傳遞法對激光測振法測量時薄膜這一影響因素進行了分析,計算了不同頻率下薄膜的聲透射系數(shù)。并在不同頻率下進行了對比實驗,證明了使用理論計算得到的薄膜透射系數(shù)對激光測振法的測量結(jié)果進行修正可以減小誤差。但激光測振法在測量更高聲壓時,將會引起較大的聲學振動,可能會導致測量激光將會無法返回,無法測得信號,這可能需要對光路進行一定的改進。