Page 143 - 《应用声学》2023年第1期

第 42 卷 第 1 期 陈锦灵等： 球壳换能器电声效率测量方法及声场特性分析 139

射压力，并将其换算为换能器输出声功率，而辐射压
0 引言
力产生于超声波束到拦截超声波束目标物之间的
动量转换 [12] 。
高强度聚焦超声(High intensity focused ultra-
RFB中靶的选择分为吸收靶和反射靶两类。由
sound, HIFU) 作为新兴肿瘤治疗方式已受到临床
于反射靶进行测量时存在中心对准困难、靶距要求
的广泛关注。HIFU 治疗是将换能器发射的超声波
在人体组织内聚焦，利用超声的热效应、空化效应 较等问题 [13−14] ，而吸收靶的实测条件易于实现，故
RFB中往往采用吸收靶。为避免声冲流对测量带来
等，短时间内使焦域范围肿瘤产生蛋白凝固。在治
干扰，吸收靶的位置应靠近换能器辐射面，规定与换
疗中，超声剂量的控制对于临床治疗的安全性和
有效性有着重要影响，能够使得治疗安全有效的进 能器辐射面中心的距离为 0.7 倍焦距，同时目标靶
与声轴相对垂直且靶心位于声轴之上 [10] 。
行 [1] ，而换能器电声效率是剂量把控的关键。换能
规定靶距为 0.7 倍的声焦距 F press ，则球面聚焦
器电声效率与其工作状态下的声功率和电功率相
关。此外，HIFU换能器性能优劣与治疗效果与聚焦 换能器声功率P 为 [5]
2cF
声场分布紧密相关 [2] 。 P = · e 2αd , (1)
1 + cos β
对于球壳换能器声功率的测量，目前国际公
式 (1) 中，c 为水中的声速，F 为吸收靶上测得的辐
认的是辐射力天平(Radiation force balance, RFB)
射力，α 为水中的吸收系数，d = 0.7F press ，β 是聚焦
法，其相关的国际标准为 IEC61161 [3] ，国家标准为
换能器的聚焦半角，β = arcsin(a/F press )，a 为聚焦
GB/T 7966 [4] 。寿文德等 [5−7] 对 RFB 法测量声功
换能器有效半径，其计算公式如下 [5] ：
率系统进行了理论研究并总结了不同结构聚焦换
0.5F press λ ( 1.62 2.22 )
能器的声功率计算公式。Shaw 等 [8] 利用瑞利积分 a = + , (2)
π W pb3 W pb6
和实验验证了该通用公式的有效性，使该方法广泛
其 中， W pb3 和 W pb6 分 别 为 焦 平 面 上 声 压 分 布
地应用于超声功率的测量。
−3 dB 以及 −6 dB 波束宽度，λ 是换能器发射声
平面扫描法又称为水听器法，其广泛应用于
信号波长。
水听器校准。20 世纪 90 年代末出台的国际标准
IEC61101 [9] 阐述了利用水听器扫描声场包络面进 1.2 平面扫描法
行总功率测量的基本原理。我国在 21 世纪初制定 平面扫描法通过使水听器在聚焦换能器焦平
的国家标准 GB/T 19890–2005 [10] 中阐述了利用水 面处进行平面网格式扫描，通过相关公式进行声强
听器法测量声场特性，这是水听器法测量声功率的 空间积分后得到声功率，若M L 是水听器灵敏度，则
基础。 位于声场某点处的瞬时声压 p(x, y, z, t)与水听器电
对于 HIFU 声功率的测量，经过改进的 RFB 系 缆末端的输出电压u(x, y, z, t)的关系如下 [15] ：
统和水听器已成功应用于 HIFU 场的测量，其可测 u(x, y, z, t)
p(x, y, z, t) = . (3)
2
声强达到5 kW/cm ，可测声功率达到500 W [11] 。因 M L
此无论是平面扫描法还是 RFB 法，在进行 HIFU 声 而任一点瞬时声强I(x, y, z, t)和瞬时声压存在
功率测量中都具有坚实的理论基础以及科学验证。 以下关系 [13] ：
本文基于RFB法、平面扫描法测量球壳聚焦换 [p(x, y, z, t)] 2
I(x, y, z, t) = , (4)
能器的声功率，同时测量其电功率，得到电声转换效 ρc
率，并对两种测量方法的结果进行比较以及对两种 其中，c为水的声速，ρ为水的密度。由此得到的声强
测量方法进行了总结，同时对 HIFU 声场分布以及 是平面波近似下的导出声强，此时认为波阵面为理
存在的非线性传播现象进行了分析。 想条件下的平面波，使用该式导出的声强与真实声
强差异大小取决于换能器的有效半径 a 和扫描面距
1 测量原理 换能器之间的距离 x，根据 Beissner 给出的公式可
知真实声强I 和计算导出声强I p 之间的比值为 [16]
1.1 RFB法
I p 2
RFB 法工作的基本原理是 Langevin 辐射压力 = √ . (5)
I 1 + (x/a) 2 /[ 1 + (x/a) 2 ]
原理 [6−7] ，通过测定声传播方向上的目标靶所受辐