作者
　　第一作者：王煒、男、1956.8.27、教授、西安交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，現(xiàn)從事醫(yī)學(xué)儀器相關(guān)的研究。
　　主要作者：鄧允、女、1984.6.34、碩士生、蘭州大學(xué)信息學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，現(xiàn)從事醫(yī)學(xué)電子學(xué)研究。
　　主要作者：李嵐、女、1986.5.6、碩士生、蘭州大學(xué)信息學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，現(xiàn)從事醫(yī)學(xué)電子學(xué)研究。
　　應(yīng)用領(lǐng)域
　　該研究為復(fù)雜醫(yī)學(xué)超聲傳感器的設(shè)計(jì)與超聲場自動(dòng)測量分析及參數(shù)建模領(lǐng)域
　　挑戰(zhàn)
　　為了適應(yīng)人體組織結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，醫(yī)學(xué)超聲換能器的設(shè)計(jì)正向復(fù)合聲場方面發(fā)展，復(fù)雜超聲場的測量與建模是業(yè)界公認(rèn)的難題。傳統(tǒng)的超聲場測量信號(hào)采集效率低，不能進(jìn)行信號(hào)的自動(dòng)采集分析，更不能滿足復(fù)雜超聲場的參數(shù)評(píng)估與準(zhǔn)確建模，制約了復(fù)雜醫(yī)用超聲換能器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。為了適應(yīng)復(fù)雜超聲換能器設(shè)計(jì)和應(yīng)用的要求，迫切需要研究一種適合復(fù)雜超聲場信號(hào)的自動(dòng)檢測與分析系統(tǒng)，以解決復(fù)雜超聲場的計(jì)算建模及實(shí)際測量中存在的諸多困難。
　　解決方案
　　以凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀為中心，組合前置放大器與水聽器，用LabVIEW開發(fā)高效聲場信號(hào)采集系統(tǒng)，通過高效的數(shù)據(jù)采集模塊，將三維聲場的聲壓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和保存。設(shè)計(jì)、制作步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四軸精密工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，開發(fā)自動(dòng)控制與自動(dòng)測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超聲場任意部位的立體定位，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人測量點(diǎn)自動(dòng)定位控制和數(shù)據(jù)采集之間的協(xié)調(diào)。開發(fā)聲場測量數(shù)據(jù)的回放及多功能綜合分析系統(tǒng)，可視化顯示結(jié)果。

　　1. 應(yīng)用背景
　　醫(yī)用超聲診斷和治療設(shè)備已經(jīng)成為醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)中不可或缺的組成，尤其是對(duì)患者的健康生活起著重要的作用。在超聲診斷和治療中都離不開超聲換能器這一重要的器件。因此對(duì)其聲場特性和頻率等性能的準(zhǔn)確測定，需要引起超聲設(shè)備研究人員和換能器生產(chǎn)單位的足夠重視?，F(xiàn)在國內(nèi)對(duì)聲換能器性能的全面測試還沒有普及，尤其是與國外產(chǎn)品相比，有的制造者不能對(duì)其生產(chǎn)的換能器提供可靠的性能數(shù)據(jù)，價(jià)格，性能，穩(wěn)定程度的差距不小，成為國內(nèi)超聲換能器設(shè)備研制和生產(chǎn)工藝的瓶頸[1]。
　　面對(duì)復(fù)雜的醫(yī)療臨床要求，超聲設(shè)備對(duì)換能器的選型和設(shè)計(jì)的要求也越來越高，而在使用過程中，由于壓電材料自身的特性和其它原因，如溫度變化大，保存不規(guī)范和操作失誤等，有可能使換能器性能受損。如果在這種不知情的情況下繼續(xù)使用，容易造成醫(yī)療事故和漏檢等，其治療和診斷效果的可靠性都很難保證，帶來的后果和損失也不堪設(shè)想，因此急需設(shè)計(jì)合理檢測超聲換能器聲場特性的系統(tǒng)和方案。超聲的物理特性研究是超聲生物效應(yīng)研究的基礎(chǔ)，隨著超聲技術(shù)應(yīng)用更廣泛，目前國內(nèi)外開展了許多對(duì)超聲輻射的生物效應(yīng)的研究課題，特別是如換能器頻率，輸出功率，輻射時(shí)間等是如何與組織相互作用的，這方面取得了很多的研究成果，超聲輻射場的特性也倍受人們的重視。雖然超聲工程中各種新技術(shù)不斷發(fā)展，但是可視化成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用仍然是醫(yī)學(xué)超聲工程中的薄弱緩解，因此需要在硬件設(shè)備和軟件開發(fā)的基礎(chǔ)上自主創(chuàng)新，加快超聲場的測量和建模仿真的研究。
　　生物醫(yī)學(xué)超聲工程中對(duì)超生輻射聲場特性的研究，主要包括兩個(gè)方面：一方面開發(fā)基于計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算的仿真軟件上，另一方面研究進(jìn)行超聲實(shí)際測量的多功能系統(tǒng)。目前生物醫(yī)學(xué)超聲的自動(dòng)檢測系統(tǒng)還不多見，超聲的自動(dòng)檢測主要是應(yīng)用于工業(yè)探傷檢測，如浙江大學(xué)開發(fā)的無損檢測工藝制定專家系統(tǒng)(CAPPNDT) [2]，冶金部壓力容器檢測站研制的無損檢測的專用軟件NDTS[3]等，將機(jī)電一體化的自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于超聲信號(hào)的采集，量化處理的研制。雖然目前針對(duì)醫(yī)療超聲技術(shù)應(yīng)用的超聲測量和仿真系統(tǒng)的理論研究還鮮見報(bào)道，但也有一些公司研發(fā)相關(guān)的超聲醫(yī)療設(shè)備，如fluke的Sonora超聲聲場檢測系統(tǒng)等。

　　2.面臨的問題
　　雖然目前對(duì)超聲換能器聲場性能的測量進(jìn)行了許多研究工作，但是測量過程中普遍使用示波器人工方法，效率低，機(jī)械化程度差，人為誤差大，嚴(yán)重影響了檢測結(jié)果的精確性和可信性。隨著超聲設(shè)備在醫(yī)學(xué)診斷和治療中的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)超聲換能器的功能要求更多元化和精確化。
　　為了適應(yīng)人體組織結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，醫(yī)學(xué)超聲換能器的設(shè)計(jì)正向復(fù)合聲場方面發(fā)展，復(fù)雜超聲場的測量與建模是業(yè)界公認(rèn)的難題。特別對(duì)于組合陣列換能器和復(fù)頻率換能器的設(shè)計(jì)和測試評(píng)估中，通過先進(jìn)的超聲場自動(dòng)檢測技術(shù)可以節(jié)省檢測時(shí)間和經(jīng)費(fèi)；另外，由于醫(yī)療應(yīng)用中傳播超聲的介質(zhì)是生理材料，具有特殊性如非均質(zhì)和各向異性的需要，對(duì)超聲波診斷和治療中換能器使用的方案和參數(shù)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，因此，必須對(duì)超聲換能器發(fā)射聲場的物理作用作深入的研究。傳統(tǒng)的超聲場測量信號(hào)采集效率低，不能進(jìn)行信號(hào)的自動(dòng)采集分析，更不能滿足復(fù)雜超聲場的參數(shù)評(píng)估與準(zhǔn)確建模，制約了復(fù)雜醫(yī)用超聲換能器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。為了適應(yīng)復(fù)雜超聲換能器設(shè)計(jì)和應(yīng)用的要求，迫切需要研究一種適合復(fù)雜超聲場信號(hào)的自動(dòng)檢測與分析系統(tǒng)，以解決復(fù)雜超聲場的計(jì)算建模及實(shí)際測量中存在的諸多困難。

　　3. 解決方案
　　本文設(shè)計(jì)和開發(fā)以凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀為信息采集中心，組合前置放大器與檢測傳感器，用LabVIEW開發(fā)高效聲場信號(hào)自動(dòng)采集與分析系統(tǒng)，通過高效的數(shù)據(jù)采集模塊，將三維聲場的聲壓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和保存。設(shè)計(jì)、制作步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四軸精密工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，開發(fā)自動(dòng)控制與自動(dòng)測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超聲場任意部位的立體定位與數(shù)據(jù)采集之間的協(xié)調(diào)。開發(fā)聲場測量數(shù)據(jù)的回放及多功能綜合分析系統(tǒng)，可視化結(jié)果顯示。實(shí)現(xiàn)超聲換能器性能指標(biāo)的快速準(zhǔn)確地測量，并建立超聲輻射場的建模仿真分析系統(tǒng)，以減輕測量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短計(jì)量檢定的工作時(shí)間，提高超聲換能器設(shè)計(jì)和使用的規(guī)范化，標(biāo)準(zhǔn)化和結(jié)果的可信度。
 
　　3.1 超聲信號(hào)采集與分析
　　1）信號(hào)采集單元：超聲信號(hào)采集以高速數(shù)據(jù)采集卡為中心，聯(lián)合前置放大器與信號(hào)采集傳感器，再經(jīng)計(jì)算機(jī)平臺(tái)的信號(hào)采集軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集。
　　在超聲信號(hào)采集中，使用寬帶靈敏度較好的水聽器接收微伏級(jí)的電壓信號(hào)，然后采用帶通濾波選擇采集的頻率范圍，再經(jīng)前置放大器放大后進(jìn)預(yù)處理，由高速數(shù)據(jù)采集卡A/D轉(zhuǎn)換輸入計(jì)算機(jī)中保存和顯示。采集過程中，采樣頻率和帶寬是重要指標(biāo)。帶寬一般是取頻率譜的-3dB帶寬，或者功率譜上的半功率點(diǎn)為信號(hào)帶寬。超聲信號(hào)采集的帶寬直接影響整個(gè)設(shè)備的總分辨率，靈敏度和信噪比等。帶寬范圍大可以使接收到的信號(hào)頻譜豐富，高頻分量丟失小，波形失真小。在醫(yī)用超聲設(shè)備中，要盡量利用超聲發(fā)射和接收換能器帶寬，提高分辨力，同時(shí)又具有較高靈敏度和信噪比，使發(fā)射和采集電路的帶寬要大于超聲換能器的帶寬[4]。采集的信號(hào)頻譜確定在5M以下。信號(hào)采集方案原理圖見圖3-1。

圖3-1  超聲信號(hào)自動(dòng)采集方案原理框圖

　　2）主要設(shè)備選型
　　高速數(shù)據(jù)采集卡采用凌華科技科技高速高分辨數(shù)字化儀PCI-9846H，它具有4通道16位高精度、40MS/s的采樣率，具有低噪音及高動(dòng)態(tài)范圍性能，信號(hào)采集精度及密度高，可廣泛應(yīng)用與中頻信號(hào)、雷達(dá)應(yīng)用、光達(dá)應(yīng)用、超聲波信號(hào)以及無損傷檢測方面。該數(shù)字化儀完全可以滿足應(yīng)用需求。
　　水聽器選用海鷹ZS-500型針式水聽器頻率響應(yīng)范圍100K-5M。常用的超聲信號(hào)采集傳感器有PVDF薄膜型和針式水聽器[5]，由于薄膜型水聽器在空間分辨率低，而且存在邊緣效應(yīng)，受溫度限制等特點(diǎn)，本研究測量方法是高密度逐點(diǎn)自動(dòng)掃描法，因此選擇針式水聽器作為信號(hào)采集傳感器，直徑小于1mm，具有靈敏度高等特點(diǎn)。前置放大器選用鵬翔科技PXPA Ⅳ聲信號(hào)采集放大器，該放大器帶寬范圍為15k-2M、低噪音增益40dB，完全可以滿足超聲信號(hào)采集的前置放大要求。
　　3）超聲信號(hào)分析
　　對(duì)超聲瞬態(tài)的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行頻譜分析時(shí)，保證信號(hào)處理中不會(huì)發(fā)生失真。為了減弱有限采樣長度的超聲波信號(hào)造成“泄露”現(xiàn)象，可以通過加時(shí)間窗函數(shù)的方法，有效防止頻譜混疊，還可以抑制噪聲，提高頻率識(shí)別能力。調(diào)節(jié)超聲發(fā)射換能器和水聽器的距離，保持換能器軸線和回波聲束共軸；調(diào)整表面回波信號(hào)的采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)，經(jīng)過模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)離散處理，對(duì)采樣的點(diǎn)數(shù)進(jìn)行FFT轉(zhuǎn)換；根據(jù)測得的波形幅度數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后，畫出負(fù)載的頻率響應(yīng)曲線；計(jì)算超聲換能器的頻率特性參數(shù)，如中心頻率。測量聲場的關(guān)鍵參數(shù)包括聲壓，聲強(qiáng)和聲焦域等，相應(yīng)描述聲場的基本形式主要有軸線聲壓曲線圖，焦平面徑向聲壓曲線圖，焦平面聲場。在聲場測量中會(huì)生成海量的數(shù)據(jù)，需要利用可視化技術(shù)。該技術(shù)將復(fù)雜的計(jì)算和仿真結(jié)果用具體形象的圖形方式表示，加深了對(duì)數(shù)據(jù)的理解和規(guī)律分析，提高了處理效率，可以分析試驗(yàn)過程的變化，LabVIEW可視化技術(shù)為復(fù)雜超聲換能器的分析和設(shè)計(jì)提供了有力的工具[6]。

　　3.2 超聲場自動(dòng)測量定位
　　整個(gè)測量過程的控制和測量點(diǎn)的定位是由一個(gè)成都海葳科技直角坐標(biāo)機(jī)器人完成，其中將運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集模塊有機(jī)地聯(lián)系在一起，一方面控制機(jī)械臂帶動(dòng)水聽器作自動(dòng)掃描運(yùn)動(dòng)，另一方面控制信號(hào)采集模塊采集信號(hào)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理和可視化顯示。整個(gè)自動(dòng)控制平臺(tái)是用LabVIEW系統(tǒng)開發(fā)，結(jié)合控制和測量的硬件，建立人機(jī)交互界面，完成對(duì)硬件的控制，數(shù)據(jù)分析和顯示。自動(dòng)測量控制平臺(tái)的結(jié)構(gòu)見圖3-2。

　　根據(jù)超聲輻射場測量和分析的需要，分為測量模塊和分析模塊。測量功能模塊包含有上位機(jī)控制平臺(tái)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理平臺(tái)。在綜合分析平臺(tái)中根據(jù)聲場描述的需要，將采集到的電信號(hào)，轉(zhuǎn)換成聲壓或聲強(qiáng)值，并且將轉(zhuǎn)換的值投影到對(duì)應(yīng)的采集區(qū)域，采用可視化技術(shù)直觀顯示聲場分布的變化規(guī)律。
　　進(jìn)行自動(dòng)測量最主要的是運(yùn)動(dòng)控制模塊，數(shù)據(jù)采集控制模塊。運(yùn)動(dòng)控制模塊和采集模塊的功能是與下位機(jī)DMC2410四軸運(yùn)動(dòng)卡和信號(hào)采集單元通訊，通過硬件組件提供的動(dòng)態(tài)連接庫DLL，向運(yùn)動(dòng)控制卡和數(shù)字示波器發(fā)送或提取需要的信息，驅(qū)動(dòng)X、Y、Z軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到快速準(zhǔn)確測量的目的。因此該模塊的一端與硬件提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫的DLL相連，能夠從硬件系統(tǒng)中獲得軟件系統(tǒng)所需要的信息，如超聲接收傳感器的位置信息，即機(jī)器人X、Y、Z 軸的位置坐標(biāo)，和采集到的超聲波信息，并把信息進(jìn)行基礎(chǔ)的處理后傳送給顯示輸出模塊進(jìn)行顯示和輸出，其原理框圖如下圖3-3所示。在進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和軟件框架的設(shè)計(jì)上，要考慮人機(jī)界面友好，硬件控制和糾錯(cuò)功能要完善，還包括數(shù)據(jù)顯示模塊，數(shù)據(jù)可視化模塊等。

圖3-3 精密機(jī)器人數(shù)據(jù)處理流程圖

　　4．系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)
　　系統(tǒng)功能按照上述設(shè)計(jì)方案全部實(shí)現(xiàn)，按自動(dòng)采集定位控制及信號(hào)采集分析分別分兩步實(shí)現(xiàn)。根據(jù)實(shí)際測量的需要，根據(jù)功能不同分為四個(gè)部分，水聽器定位，單軸掃描，三維掃描和聲譜分析控制平臺(tái)。
　　數(shù)據(jù)采集模塊是該系統(tǒng)的核心，該模塊的開發(fā)要首先下載凌華科技科技提供的PCI-9846H相關(guān)的LabVIEW支持函數(shù)庫，并加載到LabVIEW工具庫中（見圖4-1），然后可以很方便的與原工具一樣編制采集程序。實(shí)現(xiàn)了4通道數(shù)據(jù)的高速采集模塊，并實(shí)現(xiàn)了該模塊內(nèi)置的在線觀察預(yù)處理功能，如多參數(shù)濾波器、功率譜、頻譜分析與幅值、頻率等參數(shù)的測量（見圖4-2）。同時(shí)該模塊還實(shí)現(xiàn)了多種時(shí)域、高階譜、短時(shí)傅里葉變化與小波等分析方法，可以對(duì)采集到的信號(hào)根據(jù)需要進(jìn)行以上預(yù)處理，并進(jìn)行同步三維顯示，然后傳到后面的三維聲場自動(dòng)分析模塊進(jìn)行建模分析。該模塊可以作為單獨(dú)的4通道超聲信號(hào)采集與分析使用，可以將數(shù)據(jù)以文本、數(shù)據(jù)文件格式存儲(chǔ)，也可以將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)回放分析。將該模塊作為一個(gè)LabVIEW超聲信號(hào)采集類使用，將其植入相應(yīng)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，用于后面的綜合分析。

圖4-1.加載了凌華科技PCI-9846 支持函數(shù)庫的LabVIEW工具欄

    圖4-2 超聲4通道信號(hào)采集與分析基本模塊界面

　　實(shí)現(xiàn)直線掃描運(yùn)動(dòng)控制，平面掃描運(yùn)動(dòng)控制，和三軸立體掃描空間運(yùn)動(dòng)控制，以一步一停的運(yùn)動(dòng)方式逐點(diǎn)采集數(shù)據(jù)?？梢钥焖賹鞲衅饕苿?dòng)到需要采集的區(qū)域，然后從以上信號(hào)采集功能模塊的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)，觀察傳感器所在位置的電信號(hào)變化，并定量判斷該點(diǎn)的聲壓值。聲場自動(dòng)定位定位功能模塊的參數(shù)控制面板見圖4-3。

圖4-3 聲場測量自動(dòng)定位單軸掃描測試面板圖

　　單軸掃描，三維掃描和聲譜分析軟件，是測量聲場空間分布和時(shí)頻特性的專用軟件。單軸掃描可以顯示在X，Y，Z方向上每個(gè)測量點(diǎn)的聲壓或聲強(qiáng)沿直線方向的分布曲線圖，通過與設(shè)計(jì)的各軸向聲場分布理論值比較，可快速對(duì)超聲換能器的性能作出評(píng)估。

圖4-4 精密機(jī)器人測量和分析系統(tǒng)三維顯示軟件前面板圖

　　三維掃描軟件能詳細(xì)描繪整個(gè)三維空間和XY，XZ，YZ平面上的聲場分布的情況，由于空間分辨率高，可以顯示平面上的微小變化，通過不同聲壓或聲強(qiáng)與顏色的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以直觀看出聲場在空間的變化規(guī)律，為研究和工程人員提供可靠精確的分析途徑，其應(yīng)用界面見圖4-5、6。
　　頻譜分析采用離散傅里葉變換，對(duì)采集的聲場電信號(hào)處理。利用頻譜分析方法可研究高頻超聲信號(hào)的頻域分布（見圖4-6），對(duì)超聲場全面了解，也是換能器性能測定的重要指標(biāo)。

圖4-5三維自動(dòng)測量和分析功能面板圖
 
圖4-6頻譜分析功能面板圖

　　系統(tǒng)整合了精密機(jī)器人，硬件和各軟件子系統(tǒng)的組成聲場自動(dòng)化測量系統(tǒng)。在實(shí)際測量中，利用其高空間分辨率和實(shí)時(shí)準(zhǔn)確性，可對(duì)超聲換能器的聲場特性和頻率特性準(zhǔn)確測定，及理論模型的建立提供了有效數(shù)據(jù)。

　　5.系統(tǒng)功能的驗(yàn)證
　　為了驗(yàn)證系統(tǒng)的主要功能，選擇一標(biāo)準(zhǔn)的凹球殼自聚焦超聲換能器，連續(xù)波超聲功率源驅(qū)動(dòng)進(jìn)行超聲場聲壓分布參數(shù)的驗(yàn)證測試。換能器設(shè)計(jì)的幾何參數(shù)分別為：換能器輻射面出口半徑r=30mm，球殼曲率半徑R=90mm，輻射中心頻率f=1.3MHz，水介質(zhì)的聲速取1500m/s。測量聲場的關(guān)鍵參數(shù)包括聲壓，聲強(qiáng)和聲焦域等，相應(yīng)描述聲場的基本形式主要有軸線聲壓曲線圖，焦平面徑向聲壓曲線圖，焦平面聲場曲面圖，焦斑三維立體圖。
　　經(jīng)過測試換能器軸線聲壓曲線圖顯示了軸線上聲壓幅值隨距離的變化的規(guī)律。水聽器初始位置為聲束中心軸線距離換能器40mm，經(jīng)逐點(diǎn)掃描到140mm處結(jié)束，各點(diǎn)間距為0.5mm，測量值與理論值驗(yàn)證的結(jié)果如圖5-1所示：

圖5-1 軸向聲壓分布的理論值與測量值；(a)本文系統(tǒng)的實(shí)際測量值 (b)聚焦超聲場理論模型仿真值和測量值比較

　　圖5-1(a)是本文開發(fā)的系統(tǒng)的實(shí)際測量的數(shù)據(jù)值，該數(shù)據(jù)點(diǎn)是由機(jī)器人單軸掃描方式測試而得。圖5-1(b)是在軸向上根據(jù)經(jīng)典聲場軸向聲壓分布模型建模計(jì)算的聲壓理論值與實(shí)測值比較的結(jié)果，波動(dòng)的曲線是實(shí)際測量值，光滑實(shí)線是理論模型值。由模型可知在焦點(diǎn)以外的聲壓分布顯示為低能量振蕩，并逐漸衰減，而且在近場區(qū)和遠(yuǎn)場區(qū)的衰減幅度并不對(duì)稱。測試結(jié)果顯示測量值與理論值在主峰處擬和得很好，但是在旁瓣處，測量的聲壓值偏大，主要由于高頻超聲換能器在連續(xù)脈沖的激勵(lì)下產(chǎn)生復(fù)雜的諧波，水聽器和凌華科技9846H數(shù)字化儀響應(yīng)頻率范圍寬，檢測到的多種諧波頻率分量疊加產(chǎn)生的能量，而理論模型和手工示波器檢測固定在一個(gè)核心頻率處，使信息不全。
　　由于發(fā)射換能器為凹球殼面，傳播的波面也為球面，可以測量在焦平面一條直徑的聲壓曲線圖，作為超聲場分布的一個(gè)特性，反映了沿徑向聲壓幅值隨距離的變化規(guī)律，掃描各點(diǎn)間距為0.05mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5-2所示。

圖5-2 焦平面面徑向聲壓分布的理論值與測量值比較結(jié)果；(a)測量系統(tǒng)的實(shí)際測量值 (b)聚焦超聲場理論模型仿真值和測量值比較結(jié)果

　　圖5-2(a)是本文系統(tǒng)的實(shí)際測量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，該數(shù)據(jù)是由單軸掃描方式測得。圖5-2(b)是在焦平面徑向上經(jīng)經(jīng)典聲壓理論建模計(jì)算的值與實(shí)際值比較結(jié)果。波動(dòng)的曲線是實(shí)際測量值，光滑實(shí)線是理論模擬值，可見焦平面聲壓分布是振蕩而且沿中心點(diǎn)對(duì)稱分布的。從圖5-2(b)理論值與實(shí)際測量值比較結(jié)果可知，主峰處擬和得比較好，但是在旁瓣處，實(shí)際測的值豐富，原因仍是由于超聲換能器有復(fù)雜的諧波，水聽器與凌華科技9846H數(shù)字化儀頻率響應(yīng)寬，可采集到諧波能量，理論模型只是核心頻率建立的模型。
　　在焦平面上，按規(guī)定的掃描路徑，順序測量聲場中各點(diǎn)的聲壓值，掃描步距為0.5mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和焦平面的理論模型如下圖5-3所示：

 圖5-3 測試換能器焦平面聲壓分布的實(shí)際測量值(a)與聲場理論模型仿真值

　　圖5-3圖中(a)圖是基于精密機(jī)器人測量和分析系統(tǒng)的實(shí)際測量的焦平面數(shù)據(jù)點(diǎn)，該數(shù)據(jù)點(diǎn)是由機(jī)器人聲場掃描運(yùn)動(dòng)軟件測試并保存，經(jīng)測量超聲聲場分析軟件處理而得。(b)圖是由在焦平面上建模計(jì)算的聲壓理論值。從焦域的二維模型可知，焦平面上聲壓的能量比較集中，聲壓沿徑向是振蕩衰減的，非焦點(diǎn)區(qū)域的能量分布很低，而且單頻凹球殼的聲場在焦平面是沿超聲換能器的主軸線中心對(duì)稱分布的。比較實(shí)際值與理論值可知，在聚焦區(qū)域的主峰處擬合很好，在非聚焦區(qū)域?qū)嶋H測量值更豐富，表現(xiàn)出凌華科技PCI-9846H良好的寬帶頻率響應(yīng)，使采集到的數(shù)據(jù)比單頻率的理論模型貼切實(shí)際情況，對(duì)換能器設(shè)計(jì)參數(shù)及制作工藝及產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)估及安全使用有重要的意義。

　　6. 結(jié)論
　　通過驗(yàn)證試驗(yàn)可見，以凌華科技9846高性能數(shù)字化儀為中心的，超聲信號(hào)采集與分析系統(tǒng)可滿足超聲場自動(dòng)測量與建模的應(yīng)用，使信號(hào)采集的精度、速度，及參數(shù)的測量比以往有很多的改進(jìn)。本文以凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀為中心，組合前置放大器與水聽器，開發(fā)高效聲場信號(hào)采集系統(tǒng)，通過高效的數(shù)據(jù)采集模塊，將三維聲場的聲壓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和保存。通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四軸精密工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制與自動(dòng)信號(hào)采集與測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了超聲場任意部位的立體定位及測量點(diǎn)自動(dòng)定位控制和數(shù)據(jù)采集之間的協(xié)調(diào)。實(shí)現(xiàn)了聲場測量數(shù)據(jù)的回放及多功能綜合分析系統(tǒng)及三維聲場的可視化分析與顯示。
　　該超聲場自動(dòng)化測量系統(tǒng)，對(duì)聲場的分布參數(shù)和頻率特性進(jìn)行了準(zhǔn)確可靠的測量。測量結(jié)果顯示，測量點(diǎn)可達(dá)到較高的高空間分辨率，能精確快速的完成聲場檢測，使采集到得超聲場信號(hào)譜更廣。經(jīng)過驗(yàn)證試驗(yàn)驗(yàn)證了測量功能的的準(zhǔn)確性，通過可視化圖形顯示，對(duì)數(shù)據(jù)分析更直觀，全面和精確，為超聲換能器的性能評(píng)估及超聲場人體的生物效應(yīng)建模提供了有效的參數(shù)。

致謝
　　感謝凌華科技科技提供PCI-9846H高速數(shù)字化儀，為本文研發(fā)的超聲場自動(dòng)測量與分析系統(tǒng)的研究提供了有力支持。
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