Page 145 - 《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 141

至少包括最大声压信号 −26 dB 区域，扫描步进取 3.2 声场扫描结果及HIFU场的非线性效应
0.1 mm，控制换能器的工作状态与RFB法相同。 利用聚焦超声进行治疗时，当在媒介中传播的
在实验过程中同步测量电功率，测量中使用 声波能量较大时，此时声波波形会发生畸变，并且伴
Peason2877 电流互感器监视电流，记录电压、电流 有高次谐波、产生冲击波、声空化以及声饱和等非
幅值，计算换能器的输入电功率。 线性传播现象 [18] 。在平面扫描时，固定功率放大器

增益50 dB，测量了聚焦换能器在5种不同加载电压
3 球面聚焦换能器声场测量 下产生的压力波形。在焦点处，随着换能器输出功

率增加，观察到图 6 所示的由于非线性传播导致的
3.1 球面聚焦换能器声压分布仿真
从正弦波转变到锯齿波的波形失真，其中一个重要
平面扫描法进行扫描时，焦平面上声压分布的
特征是正负声压的变化。在低功率下，焦点处接收
主瓣和一个旁瓣包含在范围内，在对声强进行空间
波形接近正弦波且正负压的大小接近。当换能器输
积分时，计算主瓣与一个旁瓣范围内积分占比。根
出功率增大，在畸变的声压波形中发现正声压幅值
据换能器结构参数进行仿真计算，得到焦平面径向
显著大于负声压幅值。在持续时间上，正声压的持
归一化声压分布如图 4 所示，三维声压分布如图 5
续时间缩短而负声压的持续时间增加，由此呈现出
所示，仿真计算得到主瓣与一个旁瓣范围内空间积
来的是正压相对窄而尖，负压则相对缓而平 [19] 。在
分，利用仿真结果可对平面扫描法计算得到的声功
实验中发现声压波形的畸变现象与 Zhou 等 [17] 的
率值进行适当修正。
研究结果相似。
1.0
4
͌ᄾ஝ϙ ቫႃԍࣨϙ12 V
ቫႃԍࣨϙ65 V
0.8
3
ॆʷӑܦԍࣨϙ 0.6 ॆʷӑࣨϙ 2 1

0.4

0
0.2
-1
0
-40 -20 0 20 40
-2
ཥࣱ᭧य़ՔͯᎶ/mm 0 1 2 3 4 5 6 7 8
௑ᫎ/ms
图 4 聚焦换能器声压分布仿真
图 6 聚焦换能器端电压幅值分别为 12 V 和 65 V
Fig. 4 Simulation of sound pressure distribution
时焦点处波形
of focused transducer
Fig. 6 Wave forms measured when the terminal
voltage amplitude of the of the focusing trans-
MPa
50 mm 1.4 ducer is 12 V and 65 V respectively
0
-50 1.2
非线性传播还表现为高次谐波的产生，如图 7
1.0
1.0 所示，在换能器端电压仅为 12 V 时，基频在整个
0.8
MPa 频谱中占比达到 90.37%，因此，大部分声能存储在
0.5
0.6
基频当中；当换能器端电压增加到 37 V 时，其基
0.4
z 50 频在整个频谱占比为 76.17%，二次谐波占比达到
y 0
x 0.2 17.68%；当端电压再加大到 65 V 时，基频的占比
-50 mm
减小到 63.28%，而二次谐波与三次谐波的占比达
图 5 聚焦换能器三维声压分布仿真 到 30.95%。这表明当换能器的输出功率增加，大部
Fig. 5 Simulation of three dimensional sound 分的能量从基频转移到高次谐波。聚焦换能器焦
pressure distribution of focused transducer 平面径向正负声压分布如图 8 所示，峰值压力随着