聚焦超声声功率和声场测试实验报告.doc

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，表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。当使用全吸收靶时, (c 为媒质声速)；球面聚焦声束(半孔径角)，垂直入射全吸收靶时，；聚焦器中间开有圆孔时：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PH(x、y、z、t)可由水听器的输出电压UH(x、y、z、t)得到： PH(x、y、z、t)= UH(x、y、z、t)/MLML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/cm13.013.113.213.313.413.513.613.713.8V/mV6.487.467.886.287.205.685.286.285.46Y/cm13.914.014.114.214.314.414.514.614.7V/mV5.467.888.086.884.864.287.467.683.88Y/cm14.814.915.015.115.215.315.415.515.6V/mV5.465.687.408.666.685.2611.6815.287.88Y/cm15.715.815.916.016.116.216.316.416.5V/mV3.0811.4616.8818.4614.464.289.8810.8811.88Y/cm16.616.716.816.917.0V/mV11.203.887.808.086.20【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：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/ l l 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