一种医用超声换能器电声转换效率的测量方法
阅读说明：本技术 一种医用超声换能器电声转换效率的测量方法 (Method for measuring electro-acoustic conversion efficiency of medical ultrasonic transducer ) 是由 李益民 王霄 于 2021-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种医用超声换能器电声转换效率的测量方法,分别利用电功率计与干涉法来测试大功率下超声换能器的输入电功率和输出声功率,再根据两者的比值来算出电声转换效率的大小。与现有技术相比,具有设计简单、结构紧凑、测量精度高、适用范围广等优点,能很好的满足压电陶瓷换能器的需求,很适合用于测试超声换能器的电声转换效率。(The invention discloses a method for measuring the electro-acoustic conversion efficiency of a medical ultrasonic transducer, which is characterized in that an electric power meter and an interference method are respectively used for testing the input electric power and the output sound power of the ultrasonic transducer under high power, and the electro-acoustic conversion efficiency is calculated according to the ratio of the input electric power and the output sound power. Compared with the prior art, the piezoelectric ceramic transducer has the advantages of simple design, compact structure, high measurement precision, wide application range and the like, can well meet the requirements of the piezoelectric ceramic transducer, and is very suitable for testing the electroacoustic conversion efficiency of the ultrasonic transducer.)
技术领域
本发明涉及一种电声转换效率的测量方法，尤其涉及一种医用超声换能器电声转换效率的测量方法。
背景技术
超声波是指频率大于20KHz以上的声波，因其方向性好，穿透力强，已被广泛应用于超声刀手术、超声波雾化、B超检查、超声波制药等诸多医学领域。相较于传统手术，超声刀手术具有切割精度高、创伤范围小、凝血效果佳、视野更加清晰、手术时间大幅缩短、术后恢复快等优点，给医生和患者都带来了巨大好处。
超声手术刀设备主要由高频功率源和超声振动系统两部分组成。超声振动系统又包括三个部分：超声换能器、超声变幅杆、超声刀刀头。其中，超声换能器是进行能量转换的器件，它可以将超声波发生器产生的振荡电信号转换成机械振动信号，即把电能转化成机械能（声能）。超声换能器是振动系统中的一个关键部分，其性能比如电声转换效率直接影响到超声处理的效果。关于超声换能器性能的测试，目前基本上限于在小信号状态下的测试，常用的方法包括导纳和阻抗圆法，传输线法以及功率曲线法等。然而，功率超声换能器大都工作在比较大的输入信号下，关于超声换能器的大功率性能测试，由于换能器的非线性以及振动系统的复杂性，如波形畸变以及负载变化等，国内外至今没有一种通用的测试方法，也缺乏统一的国际和国家标准，因此，对于一些功率超声技术的评价缺乏统一的标准，也无法衡量大功率超声设备，如超声手术刀、清洗机以及焊接机等的性能。
日本学者于70年代提出了一种可以测量大功率超声换能器振动性能的高频电功率计法[Mori E, Ito K. Measurement of the acoustical output power ofultrasonic high power transducer using electrical high frequency wattmeter[C]. Proc. Ultrasonics Intern.81,Brightton,1981: 307～312]。该法可以测量换能器在大功率状态下的辐射声功率及电声效率，然而，这种方法存在一些致命的缺点，限制了其在实际中的应用。第一，为了测量换能器的介电损耗功率，需要两个性能完全一致的换能器，这一点在实际中是很难做到的。第二，为了得到换能器的介电及机械损耗功率，事先必须测出换能器的介电及机械损耗功率与换能器端电压和振动速度之间的依赖关系。鉴于上述原因，这种方法至今仍没有在实际中得到广泛的应用。
发明内容
本发明为解决现有技术中存在的不足，提供一种医用超声换能器电声转换效率的测量方法，利用电功率计与干涉法来测试大功率下超声换能器的电声转换效率，具有设计简单、结构紧凑、测量精度高、适用范围广等特点，克服了现有技术的缺点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明一种医用超声换能器电声转换效率的测量方法，其特征在于，包括超声波发生器、电功率计、超声换能器、激光干涉仪。包括以下步骤：
S1：所述超声波发生器的输出端与所述电功率计连接，所述电功率计的输出端与超声换能器连接，利用电功率计测量超声换能器的输入电功率Pe；
S2：所述激光干涉仪测量超声换能器在半个振动周期中干涉条纹的数量N，所述激光干涉仪线性分辨力≤0.01um，并计算出超声换能器的表面位移振幅A，，式中：λ为光波波长，n为空气折射率；
S3：通过下式计算超声换能器的振动速度v：；式中：w为角频率，f为谐振频率；
S4：通过下式计算超声换能器的辐射声阻Rs：
式中：ρ为空气密度，c为空气声速，k为波数，k=2πf/c，a为超声换能器的半径；
S5：通过下式计算超声换能器的辐射声功率Ps：；
S6：通过下式计算超声换能器的电声转换效率η：η=Ps/Pe。
作为优选方案，本发明一种医用超声换能器电声转换效率测量方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括：
装配超声换能器：首先采用环氧树脂将经过表面处理的极化后压电陶瓷片、镀银电极片、前金属盖板及后金属盖板之间胶合，然后用螺栓将以上各部件固定在一起，且使同轴度在0.02mm以内，最后进行老化处理得到待测超声换能器。
作为优选方案，本发明一种医用超声换能器电声转换效率测量方法，其特征在于，所述表面处理包括：
对压电陶瓷片表面进行研磨和精密抛光，使其粗糙度Ra≤500nm。
作为优选方案，本发明一种医用超声换能器电声转换效率测量方法，其特征在于，所述老化处理包括：
将超声换能器置于热处理炉中，在90℃~110℃保温12~24h。
作为优选方案，本发明一种医用超声换能器电声转换效率测量方法，其特征在于，所述超声波发生器用于产生频率为50KHz~60KHz的驱动信号，用于提供功率为20~50w。
作为优选方案，本发明一种医用超声换能器电声转换效率测量方法，其特征在于，所述电功率计的带宽为50kHz~100kHz，功率误差限制为±0.1%。
作为优选方案，本发明一种医用超声换能器电声转换效率测量方法，其特征在于，所述压电陶瓷为PZT4、PZT8中的一种。
作为优选方案，本发明一种医用超声换能器电声转换效率测量方法，其特征在于，所述电极片为纯铜、青铜、铍青铜中的一种。
作为优选方案，本发明一种医用超声换能器电声转换效率测量方法，其特征在于，所述前金属盖板为铝合金7075、铝合金7175、铝合金7475中的一种。
作为优选方案，本发明一种医用超声换能器电声转换效率测量方法，其特征在于，所述后金属盖板为304L不锈钢、310L不锈钢、316L不锈钢中的一种。
原理与优势
利用压电效应而制成的换能器称为压电超声换能器。压电效应分为正压电效应和逆压电效应，压电效应是可逆的。正压电效应是指压电材料（比如压电陶瓷）受到外力作用而发生形变时，在其表面会出现电荷，即力生电或机械能转化为电能。逆压电效应是指压电材料（比如压电陶瓷）受到外电场作用而发生形变，即电生力或电能转换为机械能（声能）。
发明人在探索中发现压电超声换能器的电声转换效率η可以用输入电功率与输出声功率的比值来表示。利用超声波发生器赋予的大功率（20~50w）可以模拟超声换能器实际工况，并利用高精度（功率误差限制为±0.1%）的电功率计获取工况下超声换能器的输入电功率Pe。输出声功率Ps可以用干涉法来求出。一束激光经过分光镜分成两束，其中一束可以直接到达光电检测器，另外一束先入射到换能器的振动表面，再反射回到光电检测器。这两束激光在检测平面上形成一组宽度为h的干涉条纹，在X处检测器的输出光电流I可以表示为：
（1）
光电检测器输出的光电流信号I是一个调频信号，它的瞬时频率直接正比于换能器表面的瞬时振速，而且当换能器表面位移变化一个λ/2n时，光电检测器的输出信号就改变一个周期，等于在检测器移过一条条纹。这样就可以通过记录光电流信号I来测出换能器在半个振动周期中干涉条纹的数量N。并计算出超声换能器的表面位移振幅A，表达式为：
（2）
式中：λ为光波波长，n为空气折射率。
超声换能器的振动速度v与振幅A的关系式为：
（3）
对于超声换能器，相当于一个半径为a，它的辐射声阻Rs可以近似为：
（4）
式中：ρ为空气密度，c为空气声速，k为波数，k=2πf/c，a为超声换能器的半径。
通过（3）和（4）式可以确定超声换能器的辐射声功率Ps：
（5）
最后，通过下式计算超声换能器的电声转换效率η：η=Ps/Pe。
本发明通过大量的实验发现，电声转换效率η的测量结果和精度受以下几个方面的影响：1）各部件同轴度，同轴度的差异将影响机械能的聚集和分布，进而改变压电陶瓷的电声转换效率大小；2）部件表面粗糙度，零件表面越光滑，界面之间产生的机械耗损越少，越有利于电声转换效率的提高；3）老化处理的必要性，实验中发现对未老化的换能器进行多次测量，电声转换效率的结果变化很大，原因是换能器需要一个比较长的时间使电畴的分布变均匀，这样换能器的状态才是稳定的。因此通过人工老化，加快电畴均匀化分布的进程，适合于批量生产，也更利于获得稳定的电声转换效率；4）电功率计和激光干涉仪的测量精度，两者读数的精确程度直接影响电声转换效率的精度，因此选择测量精度为±0.1%的电功率计。在上述的工艺参数的控制下，可以保证本测试方法的测量结果可靠且精度高。
与现有技术相比，本发明的优势如下：
1）结构简单。只需要在超声换能器和发生器之间连接一个电功率计；
2）测量精度高。测量精度可控制在1%，是现有生产技术3~4倍；
3）适用范围广。可满足任一压电陶瓷换能器的需求。
综上所述，本发明利用电功率计与干涉法来测试大功率下超声换能器的电声转换效率，具有设计简单、结构紧凑、测量精度高、适用范围广等优点，解决了现有技术中结构复杂、操作不便、精度低等问题，能很好的满足压电陶瓷换能器的需求，很适合用于测试超声换能器的电声转换效率。
附图说明
图1是医用超声换能器电声转换效率测量方法的电路图。
图2是医用超声换能器的示意图。
具体实施方式
以下结合两个实例对本发明方法作进一步说明。
利用电功率计与干涉法来测试大功率下超声换能器的输入电功率和输出声功率，再根据两者的比值来算出电声转换效率的大小。
实施例1：
一种医用超声换能器电声转换效率的测量方法，其过程如下：
A、超声换能器的装配：采用环氧树脂将粗糙度Ra为400nm的极化后PZT4压电陶瓷片（1）、镀银纯铜电极片（2）、前盖板铝合金7075（3）以及后盖板304L不锈钢（4）之间胶合，然后用螺栓（5）将以上各部件固定在一起，如图2所示，同轴度控制在0.02mm，最后进行90℃保温24h老化处理得到待测超声换能器；
B、超声波发生器的输出端与电功率计连接，电功率计的输出端与超声换能器连接，超声波发生器提供频率为55KHz的正弦信号，利用电功率计测出超声换能器的输入电功率Pe为30w；
C、激光干涉仪测出换能器在半个振动周期中干涉条纹的数量N为31.5，并计算出超声换能器的表面位移振幅A为9.45um；进而计算出振动速度v为3.29m/s；超声换能器的辐射声阻Rs为1.2Ω。
D、最后计算出超声换能器的辐射声功率Ps为13w，电声转换效率η为0.43。
实施例2：
一种医用超声换能器电声转换效率的测量方法，其过程如下：
A、超声换能器的装配：采用环氧树脂将粗糙度Ra为450nm的极化后PZT8压电陶瓷片、镀银青铜电极片、前盖板铝合金7075以及后盖板304L不锈钢之间胶合，然后用螺栓将以上各部件固定在一起，同轴度控制在0.015mm，最后进行110℃保温12h老化处理得到待测超声换能器；
B、超声波发生器的输出端与电功率计连接，电功率计的输出端与超声换能器连接，超声波发生器提供频率为50KHz的正弦信号，利用电功率计测出超声换能器的输入电功率Pe为48w；
C、激光干涉仪测出换能器在半个振动周期中干涉条纹的数量N为38.7，并计算出超声换能器的表面位移振幅A为11.61um；进而计算出振动速度v为3.65m/s；超声换能器的辐射声阻Rs为1.42Ω。
D、最后计算出超声换能器的辐射声功率Ps为19w，电声转换效率η为0.4。
以上所述实例仅是本发明较优的实施方法，故不能以此限定本发明的实施范围，其他按照本发明的原理和内容所做的等效改变、修饰、替代和组合，都仍属于本发明的保护范围。
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