聚焦超聲換能器電阻抗模型與電聲特性測(cè)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(dòng)功率源設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(shí)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(dòng)電源設(shè)計(jì)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(xué)負(fù)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(duì)換能器電阻抗的實(shí)時(shí)測(cè)量對(duì)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(biāo)是電聲轉(zhuǎn)換效率，該指標(biāo)隨頻率變化，故換能器工作需選擇合適的頻率點(diǎn)，而實(shí)際情況下?lián)Q能器處于動(dòng)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(huì)影響

3、換能器的穩(wěn)定有效輸出，甚至損壞換能器，進(jìn)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(shí)對(duì)換能器電聲轉(zhuǎn)換特性自動(dòng)測(cè)試進(jìn)行研究，快速準(zhǔn)確的找到換能器合適的工作頻率點(diǎn)，以達(dá)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(duì)其電阻抗模型進(jìn)行構(gòu)建，通過比較換能器仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的電阻抗特性來驗(yàn)證該模型的有效性。
　　2.基于脈沖響應(yīng)法測(cè)量換能器電阻抗譜
　　為了實(shí)時(shí)測(cè)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(duì)換能器電阻抗譜進(jìn)行測(cè)量，為驗(yàn)證脈沖響應(yīng)法測(cè)量換能器電阻抗譜的有效性，本文采用有限元對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算，并將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行比較，同時(shí)對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化選取，從

5、激勵(lì)信號(hào)功率譜密度的角度進(jìn)行分析，提出了優(yōu)化選取激勵(lì)信號(hào)的方法即能量集中和‘3dB’衰減法，能量集中法是指將激勵(lì)信號(hào)主要能量區(qū)域分為單調(diào)與不單調(diào)兩種情況，對(duì)其功率譜密度分布進(jìn)行分析，從而選取合適的激勵(lì)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(shí)際測(cè)量需求，而提出的脈寬優(yōu)化選取方法。
　　為驗(yàn)證優(yōu)化選取方法的有效性，搭建相應(yīng)測(cè)量平臺(tái)，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(hào)下?lián)Q能器電阻抗譜，通過比較激勵(lì)信號(hào)下?lián)Q能器電阻抗譜來驗(yàn)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(dòng)測(cè)試
　　為獲取聚焦超聲換能器實(shí)時(shí)電聲轉(zhuǎn)換特性，構(gòu)建一套自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，采用基于定向耦合器的電功率計(jì)來測(cè)量換能器的輸入電功率；運(yùn)用輻射力天平測(cè)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(dòng)測(cè)試軟件?；谒_發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試換能器在不同頻率和驅(qū)動(dòng)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(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并與人工測(cè)試方法作對(duì)照。
　　結(jié)果：
　　1.運(yùn)用仿真軟件對(duì)球面自聚焦超聲換能器進(jìn)行了電阻抗模型構(gòu)建，相比于實(shí)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(diǎn)電阻抗值變化均不超過15%，這說明仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好，從而證實(shí)了所構(gòu)建的電阻抗模型的有效性。
　　2.由仿真計(jì)算與實(shí)際測(cè)量值可知，相比于實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)量值吻合較好，從而證實(shí)了脈沖響應(yīng)法測(cè)量換能器電阻抗譜的有效性。
　　在脈寬均為100ns，激勵(lì)電壓為50V情況下，對(duì)于不同激勵(lì)信號(hào)，方波脈沖激勵(lì)下所獲取的電阻抗譜產(chǎn)生畸變，高斯脈沖信號(hào)和一階微分高斯脈沖信號(hào)所得電阻抗譜與實(shí)際測(cè)量值吻合較好，這兩激勵(lì)信號(hào)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(lì)波形能量越集中于測(cè)量頻段對(duì)測(cè)結(jié)果越有利；在激勵(lì)電壓為50V情況下，對(duì)于不同脈寬的激勵(lì)信號(hào)，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(lì)換能器，其相應(yīng)的電阻抗譜與實(shí)際測(cè)量吻合良好，且兩信號(hào)的功率譜密度均符合3dB衰減法。從而說明了3dB衰減法對(duì)于脈沖法測(cè)量換能器電阻抗譜的有效性。
　　3.對(duì)于電聲轉(zhuǎn)換效率曲線的測(cè)量，人工測(cè)試需時(shí)

10、大約110min，自動(dòng)測(cè)試只需17min，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)單次測(cè)試時(shí)間縮短了5倍以上，在驅(qū)動(dòng)功率分別為10W、20W和30W情況下自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的變異系數(shù)分別為4.06%、4.31%、4.65%，人工測(cè)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(duì)平面超聲換能器進(jìn)行了理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，利用有限元仿真軟件對(duì)聚焦超聲換能器進(jìn)行了仿真計(jì)算，并與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)

11、行對(duì)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(shí)的模擬聚焦換能器工作情況。
　　2.優(yōu)化了測(cè)量換能器電阻抗譜的脈沖響應(yīng)法。運(yùn)用有限元對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算，從而為脈沖法測(cè)量換能器電阻抗譜提供了依據(jù)。對(duì)于脈沖激勵(lì)信號(hào)的優(yōu)化選取進(jìn)行了理論分析，提出了激勵(lì)信號(hào)優(yōu)化選取方法，通過比較不同激勵(lì)信號(hào)下?lián)Q能器電阻抗譜，驗(yàn)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(jiǎn)捷的選取出最優(yōu)激勵(lì)波形，從而滿足了相關(guān)領(lǐng)域的電阻抗譜測(cè)量需求。