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

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

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L

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,Z轴为25.7cm。改变Y轴的数值，记录数据如下表。Y/cm 13.0 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6 13.7 13.8

5.46 V/mV

6.48

7.46 7.88 6.28 7.20 5.68 5.28

6.28

Y/cm 13.9 14.0 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 14.7 V/mV 5.46 7.88 8.08 6.88 4.86 4.28 7.46 7.68 3.88 Y/cm 14.8 14.9 15.0 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 V/mV 5.46 5.68 7.40 8.66 6.68 5.26 11.68 15.28 7.88 Y/cm 15.7 15.8 15.9 16.0 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 V/mV 3.08 11.46 16.88 18.46 14.46 4.28 9.88 10.88 11.88 Y/cm 16.6 16.7 16.8 16.9 17.0

V/mV 11.20 3.88 7.80 8.08 6.20

【数据分析】

从实验数据中可以看出，当Y 轴为16.0cm 时，声压值最大为18.46mV.

【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.

1）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】

通过本次实验，了解到了超声治疗的生物学效应及其机制。在小组同学的团结合作下，认真的完成了本次实验的所有操作，包括读数记录调制等等。同时也让我更加深刻了解到超声治疗在临床应用中的伟大贡献，不用开刀也无需流血就能治愈疾病的无创治疗，给病人带来了康复。也为世界的医药卫生事业创建了先河，未来将会是一种无可替代临床治疗方法。