高压放大器在HIFU换能器和声场测量研究中的应用

实验名称：高压放大器在HIFU换能器和声场测量研究中的应用

研究方向：医学超声

测试目的：

HIFU声场具有特殊的声场特性，要求用于声场检测的方法能够避免对声场造成干扰，同时避免高温高压和空化响应带来的冲击。目前报道的一些方法在使用范围、测量上限、抗干扰能力和准确性等方面都存在一些缺陷。所以提出了一种基于Rayleigh积分的声场计算模型，根据计算原理，得到HIFU换能器辐射面上所有质点的法向振动速度分布即可实现对声场分布的描述。在此基础上，根据换能器表面振动速度分布的特点，建立换能器表面法向振动速度的测量方法，研究基于光纤振动传感器的全光纤多普勒测振系统，最终实现换能器表面振动速度测量和HIFU声场的声压测量及声场分布的描述。

测试设备：ATA-2041高压放大器、信号发生器、光电探测器、示波器、待测压电陶瓷(直径60mm，谐振频率28.66KHz)、全光纤多普勒测振系统。

实验过程：

图：基于光纤振动传感器的全光纤多普勒测振系统实验装置图

实验时，首先保持被测对象静止，将光纤振动传感器置于压电陶瓷上方，开启激光器，信号发生器输出设置为5V，偏移2.5V的正弦信号。当信号发生器开始输出时，不断调整功率放大器的放大倍数，测振系统通过光电探测的交流输出口就可以得到含有压电陶瓷的振动信号的干涉输出电信号，并输出到示波器上进行显示。

根据系统测试的最大速度与延迟时间的关系，光纤延迟线长度所对应的速度测量范围较大，而本实验中压电陶瓷振动速度较小，因此首先取延迟时间为50ps，激光器输出1550nm，设定驱动信号为压电陶瓷的谐振频率。

实验结果：

图2：驱动电压20V时，全光纤多普勒测振系统输出干涉信号

图2（a）、（b）、（c）分别为驱动电压20V时全光纤多普勒测振系统输出干涉信号曲线、幅度-频率曲线和相位-频率曲线的内容。

图3：驱动电压30V时，全光纤多普勒测振系统输出干涉信号  

图3（a）、（b）、（c）分别为驱动电压30V时全光纤多普勒测振系统输出干涉信号曲线、幅度-频率曲线和相位-频率曲线的内容。

根据所得干涉信号即可解调出对应驱动电压条件下，测振系统所测得的压电陶瓷振动速度结果。根据信号处理方法的内容，计算机处理后得出的20V驱动电压下所测得的振动信号所携带的多普勒频移为74.84kHz，此时可以得到振动速度为58mm/s。30V驱动电压下所测得的振动信号所携带的多普勒频移为125.16kHz，可以得到振动速度为97mm/s。

实验结果表明：可以实现基于光纤振动传感器的全光纤多普勒测振系统应用于压电陶瓷表面振动速度测量的目的。

安泰ATA-2041高压放大器：

图：ATA-2041高压放大器指标参数

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本文实验案例参考自知网论文《HIFU换能器表面光纤振动传感方法及HIFU声场测量方法研究》

审核编辑 黄宇