聚焦超聲換能器電阻抗模型與電聲特性測試研究.pdf

1、背景：聚焦超聲換能器是超聲治療設(shè)備的核心部件，其穩(wěn)定有效的工作是安全治療的有效保障。換能器的電阻抗特性是治療頻率選擇和驅(qū)動功率源設(shè)計的重要依據(jù)。根據(jù)壓電振子的理想電阻抗模型，可通過電阻抗譜曲線來確定其諧振頻率點，從而確定壓電換能器的最佳工作頻率和換能器的電阻抗匹配參數(shù)。但實際的聚焦超聲換能器受結(jié)構(gòu)、工藝和聲透鏡等的影響，電阻抗模型與理想壓電振子存在一定差距，從電阻抗譜曲線上難以直接確定壓電陶瓷材料的最佳工作頻率。通過建立和研究換能器的電

2、阻抗模型可有效解決此問題，并為換能器和驅(qū)動電源設(shè)計提供理論依據(jù)。此外，換能器在工作過程中的電阻抗特性受聲學負載、工作溫度和壓電材料老化等因素影響而產(chǎn)生一定范圍的變化，影響聲功率的輸出和治療效果，因此，對換能器電阻抗的實時測量對于治療的安全有效性意義重大。反映換能器有效輸出的主要指標是電聲轉(zhuǎn)換效率，該指標隨頻率變化，故換能器工作需選擇合適的頻率點，而實際情況下?lián)Q能器處于動態(tài)變化，與靜態(tài)情況的電聲轉(zhuǎn)換特性存在偏差，故工作參數(shù)選擇不好將會影響

3、換能器的穩(wěn)定有效輸出，甚至損壞換能器，進而影響治療的安全性。
　　目的：構(gòu)建球面自聚焦超聲換能器電阻抗模型，從而分析其電阻抗特性，為換能器穩(wěn)定輸出提供依據(jù)；同時對換能器電聲轉(zhuǎn)換特性自動測試進行研究，快速準確的找到換能器合適的工作頻率點，以達到提高治療系統(tǒng)有效性和安全性的要求。
　　方法：
　　1.建立球面自聚焦超聲換能器電阻抗模型
　　現(xiàn)有的換能器電阻抗模型是基于平面超聲換能器建立的，為分析球面自聚焦超聲換能器電

4、阻抗模型，采用PZFlex有限元軟件，對其電阻抗模型進行構(gòu)建，通過比較換能器仿真結(jié)果與實際測量的電阻抗特性來驗證該模型的有效性。
　　2.基于脈沖響應(yīng)法測量換能器電阻抗譜
　　為了實時測量換能器工作狀態(tài)下的電阻抗特性，基于上述所得換能器電阻抗模型，利用脈沖響應(yīng)法對換能器電阻抗譜進行測量，為驗證脈沖響應(yīng)法測量換能器電阻抗譜的有效性，本文采用有限元對其進行仿真計算，并將仿真結(jié)果與實驗測量值進行比較，同時對激勵信號進行優(yōu)化選取，從

5、激勵信號功率譜密度的角度進行分析，提出了優(yōu)化選取激勵信號的方法即能量集中和‘3dB’衰減法，能量集中法是指將激勵信號主要能量區(qū)域分為單調(diào)與不單調(diào)兩種情況，對其功率譜密度分布進行分析，從而選取合適的激勵波形；后者是在選取的波形中，依據(jù)波形脈寬影響波形能量在不同頻段分布不同的理論，按照實際測量需求，而提出的脈寬優(yōu)化選取方法。
　　為驗證優(yōu)化選取方法的有效性，搭建相應(yīng)測量平臺，以方波脈沖，高斯脈沖和一階微分高斯脈沖為例，獲取不同脈寬和不

6、同類型脈沖信號下?lián)Q能器電阻抗譜，通過比較激勵信號下?lián)Q能器電阻抗譜來驗證優(yōu)化選取方法的可靠性。
　　3.換能器電聲轉(zhuǎn)換特性自動測試
　　為獲取聚焦超聲換能器實時電聲轉(zhuǎn)換特性，構(gòu)建一套自動測試系統(tǒng)，采用基于定向耦合器的電功率計來測量換能器的輸入電功率；運用輻射力天平測量換能器輸出聲功率；采用圖形化開發(fā)環(huán)境LabVIEW開發(fā)自動測試軟件?；谒_發(fā)的測試系統(tǒng)，測試換能器在不同頻率和驅(qū)動功率下的電聲轉(zhuǎn)換效率，分析換能器的工作頻帶，采

7、用變異系數(shù)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行分析，并與人工測試方法作對照。
　　結(jié)果：
　　1.運用仿真軟件對球面自聚焦超聲換能器進行了電阻抗模型構(gòu)建，相比于實際值，理論模型下所得換能器諧振與反諧振頻率變化均小于3%，且兩頻率點電阻抗值變化均不超過15%，這說明仿真結(jié)果與實測值吻合較好，從而證實了所構(gòu)建的電阻抗模型的有效性。
　　2.由仿真計算與實際測量值可知，相比于實測值，仿真所得換能器諧振頻率減小了0.13MHz，反諧振頻率減小了

8、0.22MHz，兩者變化率均小于3%，相應(yīng)的電阻抗值變化了0.5Ω和2.09Ω，兩幅值變化率均不超過10%，這說明仿真結(jié)果與實測量值吻合較好，從而證實了脈沖響應(yīng)法測量換能器電阻抗譜的有效性。
　　在脈寬均為100ns，激勵電壓為50V情況下，對于不同激勵信號，方波脈沖激勵下所獲取的電阻抗譜產(chǎn)生畸變，高斯脈沖信號和一階微分高斯脈沖信號所得電阻抗譜與實際測量值吻合較好，這兩激勵信號所獲得換能器諧振與反諧振頻率變化率均小于2%，而相應(yīng)的

9、反諧振頻率處電阻抗值變化率則不同，前者為23%，后者只有5%，從而說明脈沖激勵波形能量越集中于測量頻段對測結(jié)果越有利；在激勵電壓為50V情況下，對于不同脈寬的激勵信號，脈寬為31.5ns的方波脈沖和脈寬為123ns的一階微分高斯脈沖分別激勵換能器，其相應(yīng)的電阻抗譜與實際測量吻合良好，且兩信號的功率譜密度均符合3dB衰減法。從而說明了3dB衰減法對于脈沖法測量換能器電阻抗譜的有效性。
　　3.對于電聲轉(zhuǎn)換效率曲線的測量，人工測試需時

10、大約110min，自動測試只需17min，自動測試系統(tǒng)單次測試時間縮短了5倍以上，在驅(qū)動功率分別為10W、20W和30W情況下自動測試系統(tǒng)的變異系數(shù)分別為4.06%、4.31%、4.65%，人工測試的變異系數(shù)分別為4.14%、4.69%、5.83%。
　　結(jié)論：
　　1.構(gòu)建了基于聚焦超聲換能器電阻抗模型。在對平面超聲換能器進行了理論計算與實驗驗證的基礎(chǔ)上，利用有限元仿真軟件對聚焦超聲換能器進行了仿真計算，并與實際測量結(jié)果進

11、行對比，結(jié)果表明兩者吻合較好，故建立的電阻抗模型能較真實的模擬聚焦換能器工作情況。
　　2.優(yōu)化了測量換能器電阻抗譜的脈沖響應(yīng)法。運用有限元對其進行仿真計算，從而為脈沖法測量換能器電阻抗譜提供了依據(jù)。對于脈沖激勵信號的優(yōu)化選取進行了理論分析，提出了激勵信號優(yōu)化選取方法，通過比較不同激勵信號下?lián)Q能器電阻抗譜，驗證了優(yōu)化選取方法的有效性。該優(yōu)化選取方法的提出可快速簡捷的選取出最優(yōu)激勵波形，從而滿足了相關(guān)領(lǐng)域的電阻抗譜測量需求。