高强度聚焦超声的压力特性测试实验研究

　　功率超声技术是指利用声能来改变物质组织的结构、状态、功能或加速这些改变过程的技术[1]。近年来兆赫功率超声技术发展迅速,这种技术具有能量可控、安全洁净等优点,在超声清洗、超声雾化、纳米材料分散、材料抗疲劳冲击强化及超声波炼油等方面有着良好的应用前景[2]。

　　对高强度聚焦超声特性的检测,主要是对声功率的测量,其方法有辐射压力法、电学法、光衍射法、量热法等[3]。兆赫超声在传输过程中会表现出一定的非线性,导致压力波形发生畸变,产生激波。针对这种现象,南京航空航天大学液体压力激波课题组采用辐射压力法,在测量高强度聚焦超声的声功率基础上,采用压电陶瓷压力传感器和自行研制的PVDF压力传感器,分别测试了连续脉冲和单脉冲高强度聚焦超声的压力特性,并对激波效应进行了初步研究。

　　1 测试的基本原理

　　1.1 高强度聚焦超声发生系统[4]

　　超声发生器系统如图1所示。激励电源发出激励信号激励压电陶瓷产生振动,通过声透镜向介质(去气水)辐射超声波并主动聚焦。其中的换能器由压电陶瓷与声透镜粘合而成。

　　1.2 测试原理

　　测试方法的基本原理如图2所示,大功率(最高可达万瓦级)谐振式脉冲激励电源发出600 kHz的激励信号(波形为正弦),激励压电陶瓷产生高频振动,在液体介质中(去气水)传播并聚焦。在焦点处放置测试元件采集信号,把测得的数据进行处理,经过分析后可得到相应的聚焦超声焦点区域压力特性。激励电源由课题组自行研制,激励信号可为连续或脉冲工作模式,在脉冲工作模式下,可以通过门控控制不同的脉冲发出个数。

　　1.2.1 辐射压力法测量声功率

　　辐射压力法是由我国国家标准规定的HIFU声功率测定方法[5,6]。这种方法是将连续波超声能量辐射到声功率计的反射靶上,由荷重传感器测量作用在反射靶垂直方向的辐射力,然后通过声功率与辐射压力的关系求出激波发生器所辐射的总声功率。辐射压力法传统上多采用凹锥面反射靶[7],实验中尝试采用创新的锥面反射靶加吸收靶的形式进行测量。

　　实验所用的荷重传感器分辨率为0.1g,使用校准砝码对其进行校准,采用多点校准法,校准结果如图3所示。可以看出,该声功率计在量程内具有很好的线性度。

　　1.2.2 压电陶瓷压力传感器压力测试

　　为测试脉冲工作模式下不同脉冲个数产生的峰值压力,本文采用压电陶瓷压力传感器,对焦点区域压力进行测量。具体方法是,将压电陶瓷压力传感器置于焦点区域并正对声源,施加在传感器上的瞬时压力会转化为微弱的电信号,经过电荷放大器放大后,输入到动态信号分析仪中,由动态信号仪记录显示信号并将其存储[9]。