基于激光测振法的高强度超声声场测量

高 楚, 高申平, 姚 磊, 郑慧峰,吴德林, 王萧博, 张亨达

(1. 中国计量大学 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018；2.浙江省计量科学研究院，浙江 杭州 310018；3.国家市场监管重点实验室(声学振动精密测量技术)，浙江 杭州 310018；4.浙江省声学振动精密测量技术研究重点实验室，浙江 杭州 310018)

1 引 言

超声具有易于聚焦、指向性好、穿透性强、无辐射危害等优势,目前已广泛运用于医学诊断、治疗领域[1～6]。然而在实际使用中,高强度超声设备超声剂量主要依据医生的经验,存在较大的安全隐患,可能会对人体组织造成损伤。因此对高强度超声设备的声场表征极为重要。

对于高强度超声声场声压定量检测的常用方法有:水听器法、激光测振法等。水听器法[3～11]具有高灵敏度、稳定性好、准确度高等优点,是现阶段超声声场测量的主要测量方法,但在高强度声场测量中的高声压与高温会影响水听器测量结果的准确性,甚至会导致水听器的永久性损坏。激光测振法[1,7,12～17]可实现对声压、声功率等多参数的测量,在测量时具有非接触、空间分辨率高等优点,可实现高强度超声声场测量。

激光测振法中,需要在辐射声场中放置薄膜,通过测量薄膜的振动速度得到质点的振动速度,根据振动速度与声压的关系实现超声声场的测量。薄膜的厚度通常在3～5 μm[7,12～13],涂有厚度为25 nm左右的金或铝层,以增加光反射率。在测量中薄膜可视为一个传感器件,当激光测振仪检测到薄膜振动的位移信号时,声波已经穿过了薄膜,此时对于薄膜的声压透射系数必须进行修正。邢广振使用激光外差干涉仪对水听器进行了校准,并对薄膜(厚度为5 μm,镀金层厚度为20 nm)的声压透射系数进行了分析[9]。但是在高声压声场测量中,为了防止高声压将薄膜击穿,本文采用薄膜的厚度为15 μm,两侧镀铝层的厚度为40 nm,此时更需考虑薄膜厚度对声场的影响。

基于上述现状,本文搭建了实验装置在1 MHz频率下,分别采用激光测振仪与标准水听器对高强度聚焦超声换能器的声场进行测量,验证了激光测振法测量高强度聚焦超声声场的可行性。针对激光测振法在声场中安置薄膜对测量结果造成影响这一问题,通过多层介质阻抗传递法计算了不同频率下薄膜的声压透射系数,并搭建实验对理论计算的薄膜声压透射系数的修正效果进行了证明。

2 基本理论

2.1 激光测振法原理

平面波在水介质中传播时,水介质的质点振动速度为u0与声压p0之间存在以下关系式[7,8]:

p0=ρcu0

(1)

式中:ρ为水介质的密度;c为水介质中声波的传播速度。

激光测振法测量声场的原理如图1所示。在超声换能器辐射声场中放置薄膜,使用激光测振仪测量超声换能器超声信号引起的薄膜振动,根据薄膜振动速度与声压的关系,进而实现超声声场的测量。

其中薄膜是以PET为基底,两侧镀有铝层。当薄膜厚度远远小于声波波长时,可将薄膜与周围的水介质视为等幅同相运动[7,9,18]。通过对薄膜的振动速度测量,导出水介质中质点的振动速度,根据式(1)中所表述的关系便可导出声压值,实现超声换能器声场的测量。

2.2 薄膜的声透射系数修正

在实际应用中,虽然薄膜厚度远小于声波波长,但薄膜并非理想地跟随声波振动[7,9]。为了更加准确评估薄膜对声压测量的影响,本文采用了多层介质声阻抗传递法计算薄膜的透射系数[9,19]。

当薄膜置于水面时,其多层介质结构透射声波视图如图2所示,其中PET介质层的厚度为15 μm,两侧的铝层厚度为40 nm。

图2 声波透射示意图Fig.2 Schematic of sound wave transmission

(2)

(3)

把它们排成列矢量的形式,将公共因子exp[i(kyy-ωt)]消去,记作p(x),可得到:

p(x)=Zn(x)An

(4)

式中:

(5)

由于在x=dn-1界面左右侧的声压和法向速度是连续的,因此得到等式:

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

(6)

由此可以推导出:

(7)

同时由于镀铝层的声阻抗(Z3=16.9M Rayl)远远大于空气的声阻抗(Z4=428.6 Rayl),声波在入射到薄膜时,在薄膜和空气界面处会发生全反射,可以认为薄膜-空气的交界处声压接近于0[9],即Ata≈0。

当x=dn时:

(8)

联立式(7)和式(8)可推导出激光测振仪测得薄膜振动速度为:

(9)

再计算在水面处未放置薄膜,即声波从水中入射到水-空气界面上时,激光测到的水面振动速度为:

(10)

结合式(9)和式(10),可以计算薄膜放置前后,激光测到的质点振动速度之比为:

(11)

根据式(1)可知,当声波是以平面波的形式传播时,声压与质点振动速度成正比,那么式(11)计算得到的结果即为振动速度之比,采用该值的模作为声压透射系数K。

经过仿真计算得到不同频率下薄膜对声压透射的影响,其结果如图3所示,随着信号频率上升,薄膜透射系数下降。因此,在超声频率情况下,激光测振法测量结果中有必要考虑薄膜的透声系数并对结果进行修正,以减小测量误差。

图3 不同频率下薄膜的声压透射系数Fig.3 Sound pressure transmittance of films at different frequencies

3 实验与结果

3.1 激光测振法与水听器法对比实验

在聚焦换能器的辐射声场中,焦平面处的声场可近似为平面波传播[7,18],因此,对于聚焦声场的焦平面声场测量而言,只需要测得焦平面处质点的振速分布,便可根据质点振动速度与声压的关系推导得到聚焦声场中焦平面的声压分布。测量装置如图4所示。测量前将薄膜水平放置于水面,薄膜下表面无气泡,调整激光测振仪使得激光束与薄膜面垂直。测量过程中通过行走机构控制超声换能器实现三轴移动,使用激光测振仪测量薄膜的振动速度,根据式(1)即获得焦平面的声场测量结果。

图4 激光测振法与水听器法测量示意图Fig.4 Schematic of laser vibration measurement and hydrophone measurement

在不同激励电压下,利用激光测振仪对聚焦换能器作用下薄膜的振动速度进行测量,分析基波信号、二次谐波与三次谐波信号,结果如表1所示。

表1 不同电压下薄膜的振动速度Tab.1 Vibration velocity of film under different voltages

根据式(1),实验室测量水温为20℃,当前水温下:ρc=1.48×106kg·m-2·s-1,得到聚焦换能器焦点处的声压如表2所示。

表2 不同电压下聚焦换能器焦点声压值Tab.2 The focal sound pressure value of the focusing transducer under different voltages

根据表2绘制出聚焦换能器在不同激励电压下采用激光测振法测量得到的焦点声压随着激励电压的变化如图5所示。

图5 不同电压下激光测振法测得焦点声压值Fig.5 Focus sound pressure measured by laser vibrometry under different voltages s

利用标准水听器对1 MHz聚焦换能器在不同声压下进行测量,测量时水温为20℃,通过对示波器测量得到的信号进行FFT频谱分析,得到标准水听器对高强度聚焦探头辐射的高强度聚焦超声声场的基波测量值、二次谐波测量值和三次谐波测量值,如表3所示。

表3 不同电压下水听器测得焦点声压Tab.3 Focus sound pressure measured by hydrophone at different voltages

根据表3数据绘制出不同电压下聚焦换能器焦点声压值,如图6所示。

图6 不同电压下水听器测得焦点声压值Fig.6 Focus sound pressure measured by laser method under different voltages

结合表2与表3数据,计算得到激光测振法测量1 MHz频率下的测量误差在10%以内,如表4所示。

表4 不同电压下激光测振法与水听器法测得焦点声压Tab.4 Focus sound pressure measured by laser vibrometer and hydrophone under different voltages

根据表4绘制出聚焦换能器在不同激励电压下分别采用激光测振法与水听器法测得焦点的基波声压随着激励电压的变化如图7所示。

图7 激光测振法与水听器法测得焦点声压对比图Fig.7 Comparison of focus sound pressure measured by laser vibration measurement method and hydrophone method

为了进一步验证激光测振法对聚焦换能器声场测量结果的可靠性,在激励电压为130 V的情况下,分别使用两种测试方法对高强度聚焦超声换能器的焦平面声场进行扫描测量,实测测得的焦平面声压分布如图8所示。

对上述实测的声场分布结果对比分析,可以看出两种方法测量的声压分布基本一致。水听器法测得的焦点声压值为5.676 MPa,激光测振法测得的焦点声压值为5.240 MPa,两者对比误差为7.68%。在焦平面上,标准水听器测得的-6 dB焦斑的直径为2.75 mm(如图8(a)所示),激光测振法测得的 -6 dB 焦斑的直径为2.85 mm(如图8(b)所示),两种方法测得的-6 dB区域基本一致。

3.2 不同频率下薄膜透射系数的实验验证

分别采用激光测振仪与标准水听器对1、5、10 MHz 的超声换能器进行测量。采用理论计算得到的声压透射系数对激光测振法测得的数据进行修正,对比了修正前后测量误差,测量结果如表5所示。

表5 不同频率下激光测振法与水听器法测量结果Tab.5 Measurement results of laser vibration measurement method and hydrophone method at different frequencies

由表5可知,在1 MHz频率下声压透射系数对数据进行修正结果影响不大,5 MHz和10 MHz频率下,测量结果误差明显下降。

5 结 论

本文使用激光测振仪与标准水听器对高强度聚焦超声换能器的声场进行测量,两种方法的测量得到焦点的基波声压值误差在10%以内,得到的二次谐波与三次谐波基本一致,得到的焦平面声压分布结果较为一致。基于多层介质声阻抗传递法对激光测振法测量时薄膜这一影响因素进行了分析,计算了不同频率下薄膜的声透射系数。并在不同频率下进行了对比实验,证明了使用理论计算得到的薄膜透射系数对激光测振法的测量结果进行修正可以减小误差。但激光测振法在测量更高声压时,将会引起较大的声学振动,可能会导致测量激光将会无法返回,无法测得信号,这可能需要对光路进行一定的改进。