聚焦超声声功率和声场测试实验报告

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,P Fc = (c 为媒质声速)；球面聚焦声束(半孔径角m α)，

垂直入射全吸收靶时，2/(1cos )m P Fc α=+；聚焦器中间开有圆孔时：

()2/cos cos m mi P Fc αα=+其中 m α 为球面聚焦声束的半孔径角，mi α 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

P H (x 、y 、z 、t)可由水听器的输出电压U H (x 、y 、z 、t)得到：

P H (x 、y 、z 、t)= U H (x 、y 、z 、t)/M L

M L 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,Y 轴为25.7cm 。改变Z 轴的数值，记录数据如下表。

坐标(cm) 25.2 25.3 25.4 25.5 25.6 25.7 25.8 25.9 26.0 26.1

声压(Pa) 25.2 24.8 15.2 12.8 14.8 6.8 11.2 5.2 13.6 14.0

坐标(cm) 26.2 26.3 26.4 26.5 26.6 26.7 26.8 26.9 27.0 27.1

声压(Pa) 14.4 15.2 21.6 16.4 14.0 24.0 23.6 29.2 30.4 31.6

坐标(cm) 27.2 27.3 27.4 27.5 27.6 27.7 27.8 27.9 28.0

28.1

声压(Pa) 32.0 30.4 34.4 21.6 24.4 8.8 8.8 10.4 12.0 24.4

坐标(cm) 28.2 28.3 28.4 28.5 28.6 28.7 28.8 28.8 29.0 29.1

声压(Pa) 20.4 29.6 24.0 30.0 21.2 22.0 10.4 10.8 10.0 4.0

05

10

15

20

25

30

35

40

25.2

25.4

25.6

25.8

2626.2

26.4

26.6

26.8

2727.2

27.4

27.6

27.8

28

28.2

28.4

28.6

28.829

29.2

声压

【数据分析】

从实验数据中可以看出，当Z 轴为27.4cm 时，声压值最大为34.4Pa 。

【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 。λ/A >z

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/πλ

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.

(3)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】

本次实验操作比较简单，只需要掌握示波器的用法就可以了，读数要非常精

确，要非常仔细的调节，只要有足够的耐心，完成这次实验并不困难。实验主要

让我们了解了水听器法测量聚焦超声声场的原理和方法，听过老师详细的讲解，

大概的能够将其掌握。