研究背景聚焦超声换能器是超声治疗设备的核心部件,其稳定有效的工作是安全治疗的有效保障。换能器的电阻抗特性是治疗频率选择和驱动功率源设计的重要依据。根据压电振子的理想电阻抗模型,可通过电阻抗谱曲线来确定其谐振频率点,从而确定压电换能器的最佳工作频率和换能器的电阻抗匹配参数。但实际的聚焦超声换能器受结构、工艺和声透镜等的影响,电阻抗模型与理想压电振子存在一定差距,从电阻抗谱曲线上难以直接确定压电陶瓷材料的最佳工作频率。通过建立和研究换能器的电阻抗模型可有效解决此问题,并为换能器和驱动电源设计提供理论依据。此外,换能器在工作过程中的电阻抗特性受声学负载、工作温度和压电材料老化等因素影响而产生一定范围的变化,影响声功率的输出和治疗效果,因此,对换能器电阻抗的实时测量对于治疗的安全有效性意义重大。反映换能器有效输出的主要指标是电声转换效率,该指标随频率变化,故换能器工作需选择合适的频率点,而实际情况下换能器处于动态变化,与静态情况的电声转换特性存在偏差,故工作参数选择不好将会影响换能器的稳定有效输出,甚至损坏换能器,进而影响治疗的安全性。目的构建球面自聚焦超声换能器电阻抗模型,从而分析其电阻抗特性,为换能器稳定输出提供依据;同时对换能器电声转换特性自动测试进行研究,快速准确的找到换能器合适的工作频率点,以达到提高治疗系统有效性和安全性的要求。方法1.建立球面自聚焦超声换能器电阻抗模型现有的换能器电阻抗模型是基于平面超声换能器建立的,为分析球面自聚焦超声换能器电阻抗模型,采用pzflex有限元软件,对其电阻抗模型进行构建,通过比较换能器仿真结果与实际测量的电阻抗特性来验证该模型的有效性。2.基于脉冲响应法测量换能器电阻抗谱为了实时测量换能器工作状态下的电阻抗特性,基于上述所得换能器电阻抗模型,利用脉冲响应法对换能器电阻抗谱进行测量,为验证脉冲响应法测量换能器电阻抗谱的有效性,本文采用有限元对其进行仿真计算,并将仿真结果与实验测量值进行比较,同时对激励信号进行优化选取,从激励信号功率谱密度的角度进行分析,提出了优化选取激励信号的方法即能量集中和‘3db’衰减法,能量集中法是指将激励信号主要能量区域分为单调与不单调两种情况,对其功率谱密度分布进行分析,从而选取合适的激励波形;后者是在选取的波形中,依据波形脉宽影响波形能量在不同频段分布不同的理论,按照实际测量需求,而提出的脉宽优化选取方法。为验证优化选取方法的有效性,搭建相应测量平台,以方波脉冲,高斯脉冲和一阶微分高斯脉冲为例,获取不同脉宽和不同类型脉冲信号下换能器电阻抗谱,通过比较激励信号下换能器电阻抗谱来验证优化选取方法的可靠性。3.换能器电声转换特性自动测试为获取聚焦超声换能器实时电声转换特性,构建一套自动测试系统,采用基于定向耦合器的电功率计来测量换能器的输入电功率;运用辐射力天平测量换能器输出声功率;采用图形化开发环境labview开发自动测试软件。基于所开发的测试系统,测试换能器在不同频率和驱动功率下的电声转换效率,分析换能器的工作频带,采用变异系数对系统的稳定性进行分析,并与人工测试方法作对照。结果1.运用仿真软件对球面自聚焦超声换能器进行了电阻抗模型构建,相比于实际值,理论模型下所得换能器谐振与反谐振频率变化均小于3%,且两频率点电阻抗值变化均不超过15%,这说明仿真结果与实测值吻合较好,从而证实了所构建的电阻抗模型的有效性。2.由仿真计算与实际测量值可知,相比于实测值,仿真所得换能器谐振频率减小了0.13mhz,反谐振频率减小了0.22mhz,两者变化率均小于3%,相应的电阻抗值变化了0.5Ω和2.09Ω,两幅值变化率均不超过10%,这说明仿真结果与实测量值吻合较好,从而证实了脉冲响应法测量换能器电阻抗谱的有效性。在脉宽均为100ns,激励电压为50v情况下,对于不同激励信号,方波脉冲激励下所获取的电阻抗谱产生畸变,高斯脉冲信号和一阶微分高斯脉冲信号所得电阻抗谱与实际测量值吻合较好,这两激励信号所获得换能器谐振与反谐振频率变化率均小于2%,而相应的反谐振频率处电阻抗值变化率则不同,前者为23%,后者只有5%,从而说明脉冲激励波形能量越集中于测量频段对测结果越有利;在激励电压为50v情况下,对于不同脉宽的激励信号,脉宽为31.5ns的方波脉冲和脉宽为123ns的一阶微分高斯脉冲分别激励换能器,其相应的电阻抗谱与实际测量吻合良好,且两信号的功率谱密度均符合3db衰减法。从而说明了3db衰减法对于脉冲法测量换能器电阻抗谱的有效性。3.对于电声转换效率曲线的测量,人工测试需时大约110min,自动测试只需17min,自动测试系统单次测试时间缩短了5倍以上,在驱动功率分别为10w、20w和30w情况下自动测试系统的变异系数分别为4.06%、4.31%、4.65%,人工测试的变异系数分别为4.14%、4.69%、5.83%。结论1.构建了基于聚焦超声换能器电阻抗模型。在对平面超声换能器进行了理论计算与实验验证的基础上,利用有限元仿真软件对聚焦超声换能器进行了仿真计算,并与实际测量结果进行对比,结果表明两者吻合较好,故建立的电阻抗模型能较真实的模拟聚焦换能器工作情况。2.优化了测量换能器电阻抗谱的脉冲响应法。运用有限元对其进行仿真计算,从而为脉冲法测量换能器电阻抗谱提供了依据。对于脉冲激励信号的优化选取进行了理论分析,提出了激励信号优化选取方法,通过比较不同激励信号下换能器电阻抗谱,验证了优化选取方法的有效性。该优化选取方法的提出可快速简捷的选取出最优激励波形,从而满足了相关领域的电阻抗谱测量需求。3.搭建了换能器电声转换效率测量平台,相比于人工测试,该平台能自动测试,方便、快捷,单次测试时间缩短了5倍以上,且稳定性更好,在驱动功率由10 W增至30 W情况下,其变异系数仅增加了15%,远低于人工测试变异系数41%的增量。故该方法的建立,方便换能器电声转换效率的快速准确测量,对换能器最佳工作频率的选取具有重要指导意义,对换能器实际的生产检测,具有较好的应用与推广价值。