第1章水听器测声场声功率陆明珠方莉精品版Word文档下载推荐.docx
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由于水听器的输出信号一般非常微弱,因此在将其输入采集和显示系统前,通常还需要经过一个水听器辅助放大器,进一步放大水听器接收到的声信号。
1.2.2PVDF膜式水听器(PVDFMembraneHydrophone)[1]
PVDF膜式水听器主要为测量脉冲波声场而设计的,所以这里注意适合宽带的脉冲声场不适合连续波,是二级标准测量工具。
PVDF膜式水听器是宽频换能器可用于脉冲、谐波等非线性分析。
PVDF膜式水听器的带宽为0.5-45MHz.
PVDF膜式水听器的原理与针式水听器类似,都是通过PVDF薄膜感受压力的变化,从而将声压信号转化为电压信号。
但它们的构造不同。
针式水听器是针尖状的,只有针尖覆盖有一层几微米厚的薄膜。
而膜式水听器构造如下图所示:
图1.3PVDF膜式水听器外观图
膜式水听器由单层或多层、几个到十几个微米厚的PVDF薄膜张开在一个一定直径的圆形支架上,采用真空沉积技术在薄膜两侧各镀上一层金属作为传导电极,它们的重叠部分即为对声敏感的感应单元。
感应单元的几何尺寸就是膜式水听器的有效孔径尺寸。
膜式水听器通过感应单元来感应声压的变化,并将其转化为电压信号,而两个电极可以将电压信号传递出去。
一般膜式水听器通过孔径尺寸来进行命名,如HMA-0200指的是ONDA公司生产的HMA系列孔径为0.2mm的膜式水听器。
膜式水听器适合于测试脉冲超声场,因为此时需要换能器频带宽,且响应均匀,而膜式水听器的灵敏度在整个测试频率范围内基本上保持一致,因而能很好地重现声波的形状。
它的优点有:
灵敏度高、宽带宽、密封设计、内置前置放大器和孔径可选。
它的一个缺点是体积大,对测试声场可能会造成干扰;
因为由于响应面积大,由此导致的空间平均效应也会使得测试结果不准确。
同时测试的声压幅值也不能过大,否则会损坏PVDF薄膜。
膜式水听器共有两种:
无背衬式和有背衬式。
第一种PVDF膜后无背衬材料,因为容易受到水的推压而发生运动或振动,造成测量错误。
而有背衬式水听器由于背衬材料的存在使得其硬度大,不容易发生运动,也降低了测量误差。
但是背衬材料会吸收声场能量,因而在测试高强度声场时,背衬材料也可能会由于吸收过多的能量而发生融化,从而损坏PVDF薄膜,而无背衬水听器就不会发生强烈的吸收,因而更加适用于高强度声场的测量。
1.2.3光导纤维水听器(FiberOpticProbeHydrophoneFOPH)[2]
针式和模式水听器只能测量低功率声压,对于高功率的声压检测一直是个难题,因而应运而生了光导纤维水听器FOPH用于水声的高声压、高频、高精度、瞬时测试;
光导纤维水听器FOPH可以用于水中换能器的声场和温度场检测。
它最先是由Phillips、Staudenraus和Eisenmenger提出的。
光纤水听器的主要原理是:
光导纤维水听器FOPH是基于,声场的声压变化会造成光纤头和水界面处的水密度发生变化,导致该处的折射率随声压变化,因而也由此导致其界面处的光反射率变化。
由一个激光器(
=808nm)发射激光到置于水声场中的单模或多模光纤上,将该处折射率变化的调制光由光纤接收耦合到光子检测和放大器,这一检测的光电信号随时间的变化规律就反应了声场中声压随时间的变化规律。
光导纤维水听器FOPH的检测系统可见图1.4。
图1.4光导纤维水听器FOPH原理图
我们由以下几个关系得出光子检测放大器输出电压会和声压成线性关系[3]。
首先由菲涅耳Fresnel方程可以得到在光纤垂直入射激光处的光反射率R与液体的折射率n的关系为:
(1.1)
是光纤的折射率。
然后由Gladstone-Dale关系可得到水中折射率
和声压p的关系:
(1.2)
其中Tail参数(
,静态时(
)。
(1.3)
最后光电检测输出与声压变化(
)的关系为:
(1.4)
H是常数(取平均值
),上式表示光电检测输出与声压变化是与声压的变化成正比,实验证明在声压(-12Mpa-+40MPa)非线性小于5%,
是修正系数。
相对于PVDF水听器,FOPH的突出优点有:
更高的空间分辨率(光纤探头直径100μm)、带宽理论上>
1GHz,放大器限制带宽100MHz、快速响应、可测高幅值正压和高幅值负压、高的抗电磁干扰能力、能测试更高幅值的声压、既使在空化条件下也能精确测量。
FOPH水听器本身可做为标准测试不需要参照标准(因为折射率对给定材料的条件是确定的);
FOPH的感应尖在受到高幅值声压场产生的空化活动作用而损坏时,能够快速修复。
FOPH系统适用于测试高幅值声压场(≥0.9MPa)的测试。
常规的PVDF水听器仅可检测小的声压声场。
由于采用了光学检测FOPH可测量极高的声压,是PVDF水听器的几百到千倍,声强就是几万到千万倍;
从而解决了高能声场的测试难题。
这使得先进的FOPH水听器可应用于高强度聚焦超声声场测试领域。
1.2.4计算声压、声功率[4][5]
上述三种水听器直接输出的信号是电压信号,用各自的灵敏度进行转换后,就成为了对应的声压信号。
各自水听器的使用说明里面都给出其对应的灵敏度。
得到电压-时间波形后,可以计算声强和声功率。
空间峰值脉冲平均强度ISPPA的计算公式如下所示:
(1.5)
其中
为水的密度,
为水中的声速,
为时变的声压波形,T为波形的周期,
为所选波形的整周期数,
为第一个满幅值周期的延迟时间,t为时间。
另外空间平均脉冲平均强度ISAPA的计算公式为:
(1.6)
S为积分面积,通常为焦平面上-6dB波束面积。
将ISPPA在一个包括波束的主瓣和旁瓣的大面积上进行积分,就可以得到声功率。
对于强聚焦的球面换能器,1994年Hill给出了其平均声强
和峰值声强的计算公式
,对于施加声功率W不合声压半高宽为D的声场,认为是高斯分布的则,平均声强
的计算公式为:
(1.7)
1.2.5声功率的辐射力天平测量[4][5][6]
声波的动量在遇到目标(吸收或反射)时将产生力,这个力就是辐射力(Acousticradiationforce)。
超声声功率的定量测量就是用辐射力天平(Radiationforcebalance)来检测的。
辐射力测量声功率的原理就是让被测量换能器的波束完全作用在全吸收靶或全反射靶上,然后用天平测量全吸收靶的辐射力。
对于全反射靶反射到吸声腔再测量其辐射力。
图1.5上图是全吸收靶辐射力天平原理结构示意,图中全吸收靶的面积要大于换能器在靶上的波束尺寸;
图1.5下图中的全吸收靶一般用聚氨酯材料做成,下右图是全反射锥靶,下左图是用刷型做成的全吸收靶可测如高强度聚焦超声等大的声功率。
声功率P与测量的辐射力成如下关系:
(1.8)
c是水中声速(依赖于水温),m是质量变化,g是重力加速度;
mg是辐射力天平读数。
1W声功率对应的辐射力是69毫克(mg)。
所测量的是平面波的声功率。
对波束和传播方向成
的声功率计算如下:
(1.9)
辐射力天平对测量较小声功率,小于5W,可达精度小于5%;
对测量高功率精度就差了,可能是由于空化的作用,测量高功率要用除气水。
由于辐射力天平是用于平面波的检测,对于强聚焦换能器需用如下公式校正:
(1.10)
D和Rc是球面换能器的直径和球面的曲率半径。
图1.5上图声功率的辐射力天平测试原理,下图全吸收和全反射锥靶
图1.6是实际的计算机采集控制的辐射力天平原理及系统。
图1.6计算机采集控制的辐射力天平原理及系统
1.3实验系统与材料
1.3.1实验系统
1.PVDF针式水听器测试系统[4][5][6]
PVDF针式水听器测试系统如图1.7所示。
用示波器(或高速数据采集卡)作为信号的显示器和采集器,可以得到声场中单点的声压波形,对于连续波无需同步信号检测,而对脉冲波要用同步触发检测。
如果将水听器夹持在3维机械运动(扫描)装置上可以重构出换能器的3维的声场。
在我们实验室有两套3维运动扫描系统,其中若采用扫描系统(如Multiscan5800系统)移动水听器进行扫描,就可以得到一个截面上的声压分布,再由一个个截面声压构成3维声场分布。
图1.7中使用了两个放大器来放大水听器的信号,浸入式前置放大器和水听器辅助放大器,这是因为水听器信号通常很微弱,需要进行两级放大。
图1.7PVDF针式水听器连接图
图1.8PVDF针式水听器测试HIFU换能器声压的系统框图
图1.8为针式水听器测试HIFU换能器声压的系统框图,图中省略了换能器的夹持装置。
2.PVDF膜式水听器测试系统
图1.9为膜式水听器的测试系统。
图中也省略了用来固定膜式水听器的装置。
一般模式水听器的前置放大器和膜式水听器做成一体。
由于膜式水听器体积很大,移动不方便,HIFU换能器移动也不方便,所以本实验只测试HIFU换能器焦点处一点的声压,因而用示波器作为信号显示和采集装置。
图1.9PVDF膜式水听器测试系统
3.光导纤维水听器(FOPH)测试系统[7]
图1.10为FOPH测试系统。
它的测试系统和针式水听器一样,用示波器(或高速数据采集卡)作为信号的显示器和采集器,可以得到声场中单点的声压波形。
图1.10光导纤维水听器FOPH测试系统
图1.11PVDF针式水听器HPM02
1.3.2实验材料
1.PVDF针式水听器(HPM02或HPM05)
本实验所使用的PVDF针式水听器是PrecisionAcoustic公司生产的NeedleHydrophone,型号为HPM02或HPM05,针头直径为200µ
m或500µ
m。
外观图如图1.11所示。
它的主要性能参数如表1-1所示:
输出阻抗
13pF+/-2pF
探头灵敏度
55nV/Pa(相当于-265.2dBre1V/uPa)
灵敏度变化范围
+/-3dB
频率响应
(+/-2dB):
5to25MHz
(+/-4dB):
1to35MHz
传感器材料
9µ
m厚的PVDF
传感器尺寸
0.2mm
表1-1针式水听器HPM02性能参数表
2.PVDF膜式水听器HMA-0200
本实验使用的膜式水听器是由Onda公司生产的HMA-0200,即水听器的有效孔径尺寸为0.2mm。
它的频率特性和具体尺寸图如下所示。
图1.12PVDF膜式水听器HMA-0200的:
上图频率特性,及下图安装尺寸
换能器中已嵌入有前置放大器。
它的性能参数如表1-2所示:
孔径尺寸
频率响应(使用范围)
0.5-45MHz(±
3dB)
灵敏度
0.1
V/Pa
场干扰性
高
表1-2PVDF膜式水听器HMA-0200性能参数表
3.光导纤维水听器FOPH2000[2]
图1.13FOPH2000外观图
本实验所使用的FOPH为RPACOUSTIC公司生产的FOPH2000,见图1.13。
FOPH2000由主机(大图)和光检测模块(小图)组成;
主机中有激光发射和驱动模块、模式耦合及电池模块构成;
光检测模块由光检测及放大器组成。
拾贝壳阅读答案FOPH2000可以用于聚焦超声的冲击波的正、负声压的测试,测量精度、空间分辨率高,测量快速响应和宽带性能好。
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表1-3FOPH2000性能参数表
空间分辨率
100µ
m
上升时间
有理数的加减混合运算3ns
电气限制带宽
昙花教学实录100MHz
带宽
150MHz
理论带宽
李笑来学习这里30GHz
昆虫记阅读题及答案测量范围
-60Mpa~400MPa
教师的情绪管理单脉冲声压分辨率
+/-0.7MPa
数学方案问题2mv/MPa
政治理论知识应知应会方向性
描写学校的成语全方位
准确度
+/-5%
温度范围
10~35℃
3.配套测试的其它设备材料
三维机械移动系统(SurugaSeikiCo.Ltd,Japan)
数据采集卡(200MHzCoumpuScopeCS14100,TektronixGage,USA)
三维声场扫描系统(PanametricsInc.,Waltham,MA,USA)
吸声材料(RTVsiliconerubber,InstituteofAcoustics,ChineseAcademyofSciences),水槽和除气水
1.4实验步骤
1.4.1PVDF针式水听器的测试步骤
1.在水槽内固定好HIFU换能器,将水听器置于Multiscan5800的扫描杆上;
按照图1.7,1.8连接好实验设备。
2.仔细调节换能器的位置,使其对准换能器并置于其焦点位置。
3.为了保护水听器,HIFU换能器的输出功率不能大于2W。
实验中选择1W。
4.按照从强电到弱电的顺序依次打开仪器设备,调节功率放大器的输出功率为1W。
5.使用示波器作为信号接收器,观察波形并采集一段信号,采样频率为100MHz。
6.使用Multiscan5800的Receiver作为信号接收端,设置适当参数,执行扫描程序,得到声场一个截面的声压分布数据。
7.实验完毕,按照从弱电到强电的顺序关闭仪器,使仪器回复原位。
1.4.2PVDF膜式水听器的测试步骤
1.在水槽内固定好HIFU换能器和膜式水听器,使水听器对准换能器,并使得膜式水听器的感应单元刚好处于换能器的焦点处。
2.按照图1.9连好实验设备;
为了保护膜式水听器,设置功率放大器的输出功率为较低的水平。
3.按照从输入到输出的顺序打开实验设备,利用示波器观察接收到的信号波形并进行数据采集。
4.实验完毕,关闭仪器,整理实验器材。
1.4.2FOPH的测试步骤
1.在水槽内固定好HIFU换能器和FOPH,使水听器对准换能器,并使得FOPH的光纤头刚好处于换能器的焦点处。
2.按照图1.10连好实验设备;
由于光纤水听器能测试的声压范围很大,因此可以应当调高功率放大器的输出功率。
1.5实验结果与分析
1.5.1PVDF针式水听器的测试结果
图1.14是用PVDF针式水听器可以测试1.2MHzHIFU换能器的几个脉冲-时间波形。
图1.14用PVDF针式水听器和FOPH2000测试1.2MHzHIFU换能器数个脉冲波形
图1.15为利用PVDF针式水听器测试的1.2MHzHIFU换能器(连续波)焦平面上和XOZ面的声强分布,可以看出焦点区域为1.6×
1.6×
8.6mm3。
(a)
(b)
图1.150.5mmPVDF针式水听器声场测量1.2MHzHIFU换能器(连续波)声场:
(a)焦平面声强网格图分布(b)XOZ平面声强分布
图1.16是利用PVDF针式水听器测试的1.2MHzHIFU换能器垂直声轴平面的测量结果。
(0)
(-1)
(-2)
(3)
(2)
(1)
图1.161.2MHzHIFU换能器垂直声轴平面的测量结果;
()中为测量平面与初始测量位置的关系,初始位置近似定在换能器的几何焦点的位置,水听器向上移动远离换能器为(+),向下移动靠近换能器为(-),单位mm
图1.17和1.18显示了利用PVDF针式水听器测试的1.1MHz16阵元相控阵声HIFU换能器的聚焦声场分布结果。
图1.171.1MHz16阵元相控阵声HIFU换能器轴上焦点声强分布:
左图为理论仿真结果,右图为用PVDF(0.5mm)水听器测试结果
图1.181.1MHz16阵元相控阵声离轴焦点(偏离y轴2.25mm)声强分布:
左图为)理论仿真结果,右图为用PVDF(0.5mm)水听器测试结果
1.5.2PVDF膜式水听器的测试结果
图1.19为利用PVDF膜式水听器HMA-0200测试的几个脉冲声压波形图。
图1.19PVDF膜式水听器HMA-0200测得的非线性造的波形图
1.5.3光导纤维水听器的测试结果
图1.20为利用FOPH2000测试的声压波形图。
可以测量单脉冲和连续波,用于高声压的非线性特性分析。
(a)单脉冲声压波形
(b)非线性造成的锯齿波形
图1.20FOPH2000测得的波形图
1.5.4测试结果的分析讨论
首先,从测试时的控制条件可以看出,针式水听器能测量的声压幅值较小,因而呈现线性特性(图1.14),针式水听器可对脉冲和连续波测试。
针式水听器虽然尺寸很小(0.1mm),但是它测得的是水听器直径上的平均声压,图1.15显示1.2MHzHIFU换能器的焦点区域为1.6×
8.6mm3,
而理论上的焦点区域为1.1×
1.1×
8.0mm3,所以每个方向的尺寸都比理论的大了一个水听器直径(0.5mm)。
这就是测量带来的误差,是可以分析的出来的,因此选择小的水听器直径,误差会减少,这是显而易见的。
由于水槽是方形的所以图1.16和图1.17的焦点主峰旁的四个角对称位置有四个象旁瓣声压,而理论上是没有这样对称的旁瓣。
膜式水听器只适合脉冲小幅值的条件,由于宽带特性图1.19的非线性波形特点显现出,膜式水听器还适合谐波、次谐波等非线性特性。
FOPH能很好地反映高强度聚焦超声超声场中由于非线性造成的锯齿波波形和冲击特性。
由于其上升时间极短仅为3ns,所以对单脉冲击(图1.20)上升沿很陡的具有正、负幅度的波形能准确测试,由于宽带特性对非线性锯齿波明显显示(图1.20),对同一非线性波形针式水听器测的峰值明显低于FOPH测的结果,FOPH还反映出高频的波形(图1.21)。
FOPH可以测量强声场,这是它最主要的任务。
图1.21左图为用PVDF针式水听器和右图为用FOPH2000测得的高功率声压波形对比图
1.6总结
1.水听器体积非常小,不会对测试声场造成大的干扰,可以测量连续波和脉冲波声压,同时灵敏度高,使用方便;
它的缺点是带宽相对膜式水听器和FOPH来说较窄,频率响应也不及后二者平坦,能够测量的声压范围有限。
适用于测试低声压值的声场。
同时由于水听器体积小,移动方便,可以得到声场的截面图和3维声场分布,也可以应用于多种超声换能器的测试,如相控阵换能器探头等。
2.膜式水听器适合于测试脉冲超声场,因为它的频带宽,且响应均匀,而且其灵敏度在整个测试频率范围内基本上保持一致,因而能很好地重现声波的形状,特别适合非线性和谐波特性的测量。
灵敏度高、频带宽、密封设计、内置前置放大器和孔径可选。
它的一个缺点是体积大,对测试声场可能会造成干扰。
3.相对于PVDF水听器,FOPH的突出优点有:
更高的空间分辨率、更宽的频带、抗电磁干扰、能测试更高幅值的声压,适合对非线性的高速声场的测试和分析。
并且当对FOPH水听器采用固有校准法进行校准时,FOPH系统就不需要参照标准;
FOPH的感应尖在受到高幅值声压场产生的空化活动作用而损坏时,能够快速修复,相反PVDF在损坏后就不可修复。
主要参考文献
1www.acoustics.co.uk
2FiberOpticProbeHydrophoneFOPH2000,RP.acoustics
3C.Wurster,J.Staudenraus,W.Eisenmenger.Thefiberopticprobehydrophone[C].IEEEUltrasonicsSymposium.1994:
941-944.
4A.ShawandMHodnett.Calibrationandmeasurementissuesfortherapeuticultrasound[J].Ultrasonics,2008
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