專利名稱：一種便攜式超聲聲場參數(shù)測量系統(tǒng)及其測量方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于聲學計量領域，尤其涉及一種便攜式超聲聲場參數(shù)測量系統(tǒng)的設計， 主要用于醫(yī)用超聲診斷設備、理療設備和治療設備的超聲聲場參數(shù)測量。
背景技術(shù)：
隨著超聲診斷設備、理療設備和治療設備在醫(yī)療等領域的廣泛應用，確保各類醫(yī) 用超聲設備的量值準確和安全，具有非常重要的意義。目前在醫(yī)用超聲設備的功率測量方面，瓦級/毫瓦級超聲功率計是測量醫(yī)用超聲 儀器輸出功率的重要設備。常用的功率計一般是基于輻射力的方法，通過反射靶或者吸收 靶感知超聲場的輻射力，后端的力值通過天平、力傳感器或者電學方法來測量，經(jīng)過一定的 換算后計算出超聲設備的輸出總功率。隨著人們對安全理解的深入，醫(yī)用超聲設備的輸出總功率不再是安全評價的最重 要指標，瞬態(tài)峰值聲壓是評價安全性的重要參量。目前瞬態(tài)指標的評估一般是在產(chǎn)品的定 型時期完成的，該測量是通過復雜昂貴的聲場掃描系統(tǒng)實現(xiàn)的。一般來說，該定型鑒定費用 高、耗時多，設備復雜占地大，無法滿足日常檢定的測量要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，申請人研發(fā)了一種便攜式超聲聲場參數(shù)測 量系統(tǒng)及其測量方法。本發(fā)明設計了一種便攜式的、基于水聽器測量的超聲聲場參數(shù)測量 系統(tǒng)，它能夠完成對瓦級聲源、毫瓦級聲源的超聲聲場參數(shù)的準確測量。便攜式超聲聲場參數(shù)測量系統(tǒng)的原理是首先將已校準的測量水聽器置于待測聲 場(即消聲水槽)中。根據(jù)超聲設備的不同，聲場中的聲波大致可以分為連續(xù)波信號和脈沖 波信號兩種情況。水聽器能夠以一定靈敏度測量聲場某一點的聲壓信號并轉(zhuǎn)換成電信號。 該電信號經(jīng)過阻抗匹配電路、程控增益電路、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換以及峰值采樣處理和 總線控制電路后，將數(shù)據(jù)上傳至上位機后，計算出的聲場參數(shù)并在顯示屏上顯示出來。能夠 通過聲壓信息計算出超聲聲場的其他一些參數(shù)。本發(fā)明為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，所采用的技術(shù)方案如下，一種便攜式超聲聲場參數(shù)測量系統(tǒng)，所述測量系統(tǒng)包括超聲信號接收探測模塊，超聲信號處理模塊和超聲信號參數(shù)計 算和輸出顯示模塊；所述超聲信號接收探測模塊包括超聲換能器、待測聲場和測量信號裝置；所述超 聲信號接收探測模塊探測待測超聲設備的聲壓信號；所述超聲信號處理模塊將探測到的超聲設備的聲壓信號進行調(diào)整，匹配，自適應 程控增益，A/D轉(zhuǎn)換等處理；所述超聲信號參數(shù)計算和輸出顯示模塊將處理后的信號進行存儲、讀取、抽樣和 計算峰值負聲壓、聲功率、聲強聲場參數(shù)，繪制采集波形并將計算結(jié)果顯示在液晶屏上。
為了實現(xiàn)探測超聲聲場信號的目的，所述超聲信號接收探測模塊中所述測量信號 裝置為水聽器；所述待測聲場采用消聲水槽；所述消聲水槽的上下底部分別設置一個入水口和出水口，且在所述消聲水槽的左 右側(cè)壁分別開設一個圓孔，分別放置所述待測超聲儀器的換能器和所述水聽器；測量時，將 所述消聲水槽中注入純凈水。由于超聲聲場能量大小不同，所述超聲信號接收探測模塊中還包括能量衰減裝 置，所述能量衰減裝置為衰減片；根據(jù)超聲聲場能量的大小選擇不同的衰減片，以實現(xiàn)對不 同功率等級的連續(xù)波聲源和脈沖波聲源的實現(xiàn)測量；所述衰減片設置在所述待測聲場中。具體的，所述消聲水槽為四邊形水槽；所述水槽的內(nèi)部尺寸約為 20CmX20CmX20Cm，以便為B超陣列探頭設置不同的聚焦深度時提供足夠的進深。在所述 消聲水槽的四周壁上及底部鋪設消聲材料，所述消聲材料選用高頻的吸聲橡膠；所述超聲 換能器設置在消聲水槽左側(cè)的柔性聲窗內(nèi)；且所述消聲水槽中填充為純凈水；所述衰減片 可自由拆卸地縱向設置在所述消聲水槽中；所述衰減片尺寸為20cmX 20cm，厚度為1cm，安 裝在水槽內(nèi)壁的導向定位槽內(nèi)。其在IMHz IOMHz頻率范圍內(nèi)的聲壓衰減倍數(shù)需要精確 的測量。對水聽器探測的信號需要進行一系列的調(diào)整和操作，因此所述超聲信號處理模塊 包括阻抗匹配電路單元、程控增益電路單元、信號調(diào)理電路單元和A/D轉(zhuǎn)換電路單元；所述阻抗匹配電路單元用于將從所述水聽器輸出的電信號進行匹配，后傳遞到下 一級電路；所述程控增益電路單元針對被測超聲換能器動態(tài)范圍較寬，測量時需要將水聽器 輸出的原始信號放大到適當?shù)碾妷悍秶?，以保證A/D轉(zhuǎn)換和后續(xù)計算的精度；所述信號調(diào)理電路單元用于對水聽器獲得的電信號進行濾波等處理，從而提高信 號采集系統(tǒng)的性能與精度；所述A/D轉(zhuǎn)換電路單元用于對經(jīng)過調(diào)理后的模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。本發(fā)明最后需要對數(shù)據(jù)進行計算和輸出，因此所述超聲信號參數(shù)計算和輸出顯示 模塊基于FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)的硬件峰值進行采樣處理和總線控制電路；該模塊通 過FPGA的控制信號實現(xiàn)對A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)進行存儲、讀取和抽樣，對超聲設備聲場 參數(shù)的計算并顯示。所述基于FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列)的ISA總線控制電路，用于將采集的大量數(shù) 據(jù)進行硬件抽樣，并通過ISA總線上傳至PC104中，然后將波形以及計算得到的參數(shù)顯示在 液晶屏上。本發(fā)明在研發(fā)測量系統(tǒng)的基礎上設計了超聲聲場參數(shù)測量方法，所述測量方法包括如下步驟，A.設置測量系統(tǒng)搭建系統(tǒng)中超聲信號接收探測模塊，超聲信號處理模塊和超聲 信號參數(shù)計算和輸出顯示模塊；B.啟動系統(tǒng)；C.判斷聲源類型根據(jù)外面待測儀器的不同，選擇是連續(xù)波聲源還是脈沖波聲 源。D利用采集的波形，實測超聲源聲波的頻率；
E選擇水聽器類型，并載入水聽器的靈敏度文件；F采集并顯示水聽器采集的信號(經(jīng)過匹配和放大)，將隨機采集的波形進行相位 固定處理，并根據(jù)采集波形自適應調(diào)整采樣時間和采樣率；。G將采集并固定相位后的波形進行自適應增益調(diào)整，手動調(diào)整超聲換能器的角度 和位置使得采集的波形最高，并將顯示波形的最大值調(diào)整到高于顯示屏的70%后，記錄當 前增益值和波形量化值；利用上述參數(shù)及水聽器的靈敏度文件，計算出待測超聲聲場的部 分重要參數(shù)，如平均功率、峰值負聲壓、聲強等。H將計算的結(jié)果輸出；I 結(jié)束。其中，峰值負聲壓根據(jù)水聽器接收到的信號，根據(jù)水聽器的靈敏度計算所得。峰值負聲壓P_ = U/M功率、輸出波束聲強等計算公式參照
權(quán)利要求
1.一種便攜式超聲聲場參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述測量系統(tǒng)包括超聲信號接收探測模塊，超聲信號處理模塊和超聲信號參數(shù)計算和 輸出顯示模塊；所述超聲信號接收探測模塊包括超聲換能器、待測聲場和測量信號裝置；所述超聲信 號接收探測模塊探測待測超聲設備的聲壓信號；所述超聲信號處理模塊將探測到的超聲設備的聲壓信號進行匹配、自適應程控增益、 調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換等處理；所述超聲信號參數(shù)計算和輸出顯示模塊將處理后的信號進行存儲、讀取、抽樣和計算 峰值負聲壓、聲功率、聲強聲場參數(shù)，繪制采集波形并顯示計算結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式超聲聲場參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲信號接收探測模塊中所述測量信號裝置為水聽器；所述待測聲場采用消聲水槽；所述消聲水槽的上下底部分別設置一個入水口和出水口，且在所述消聲水槽的左右側(cè) 壁分別開設一個圓孔，其中左邊孔為聲窗，右邊為水聽器安裝孔，分別放置所述待測超聲儀 器的換能器和所述水聽器；測量時，將所述消聲水槽中注入純凈水。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種便攜式超聲聲場參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于， 所述超聲信號接收探測模塊中還包括能量衰減裝置，所述能量衰減裝置為衰減片；根據(jù)超聲聲場能量的大小選擇不同的衰減片，以實現(xiàn)對不同功率等級的連續(xù)波聲源和脈沖波 聲源的實現(xiàn)測量；所述衰減片設置在所述待測聲場中。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種便攜式超聲聲場參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于， 所述消聲水槽為四邊形水槽；在所述消聲水槽的四周壁上及頂、底部鋪設消聲材料，所述消聲材料選用高頻的吸聲橡膠；所述超聲換能器設置在消聲水槽左側(cè)的柔性聲窗內(nèi)；且 所述消聲水槽中填充為純凈水；所述衰減片可自由拆卸并縱向設置在所述消聲水槽中；所 述衰減片在IMHz IOMHz頻率范圍內(nèi)的聲壓衰減倍數(shù)需要精確的測量；所述衰減片尺寸為 20cmX 20cm,厚度為1cm，安裝在水槽內(nèi)壁的導向定位槽內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式超聲聲場參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲信號處理模塊包括阻抗匹配電路單元、程控增益電路單元、信號調(diào)理電路單 元、A/D轉(zhuǎn)換電路單元；所述阻抗匹配電路單元用于將從所述水聽器輸出的電信號進行匹配，后傳遞到下一級 電路；所述程控增益電路單元針對被測超聲換能器動態(tài)范圍較寬，測量時需要將水聽器輸出 的原始信號放大到適當?shù)碾妷悍秶?，以保證A/D轉(zhuǎn)換和后續(xù)計算的精度；所述信號調(diào)理電路單元用于對水聽器獲得的電信號進行濾波等處理，從而提高信號采 集系統(tǒng)的性能與精度；所述A/D轉(zhuǎn)換電路單元用于對經(jīng)過調(diào)理后的模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式超聲聲場參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲信號參數(shù)計算和輸出顯示模塊，是基于FPGA的硬件峰值抽樣及總線控制電 路；所述基于FPGA的峰值抽樣電路，用于將采集的大量數(shù)據(jù)進行硬件抽樣，并通過ISA總線 上傳至處理器中，然后將波形以及計算得到的參數(shù)顯示；即該模塊通過FPGA的控制信號實現(xiàn)對A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)進行存儲和抽樣，對超聲設備聲場參數(shù)的計算并顯示。
7.如權(quán)利要求1-6之一所述的系統(tǒng)進行超聲聲場參數(shù)測量方法，其特征在于，所述測 量方法包括如下步驟，A.設置測量系統(tǒng)搭建系統(tǒng)中超聲信號接收探測模塊，超聲信號處理模塊和超聲信號 參數(shù)計算和輸出顯示模塊；B.啟動系統(tǒng)；C.判斷聲源類型根據(jù)外面待測超聲儀器的不同，選擇聲源類型連續(xù)波聲源還是脈 沖波聲源；D.利用采集的波形，實測超聲源聲波的頻率；E.選擇水聽器類型，并載入所述水聽器的靈敏度文件；F.采集并顯示水聽器采集的信號，將隨機采集的波形進行相位固定處理，并根據(jù)采集 波形自適應調(diào)整采樣時間和采樣率；G.將采集并固定相位后的波形進行自適應增益調(diào)整，手動調(diào)整超聲換能器的角度和位 置使得采集的波形最高，并將顯示波形的最大值調(diào)整到高于顯示屏的70%后，記錄當前增 益值和波形量化值；利用上述參數(shù)及水聽器的靈敏度文件，計算出待測超聲聲場的部分重 要參數(shù)，如平均功率、峰值負聲壓、聲強等。H.將計算的結(jié)果輸出；
8.如權(quán)利要求7所述的超聲聲場參數(shù)測量方法，其特征在于，步驟G中的峰值負聲壓根據(jù)水聽器接收到的信號，根據(jù)水聽器的靈敏度計算所得所述峰值負聲壓P- = U/M功率、輸出波束聲強等計算公式參照IEC 62127-1功率:p= W1TA(^y)dxdY
全文摘要
本發(fā)明屬于聲學計量領域，尤其涉及一種便攜式超聲聲場參數(shù)測量系統(tǒng)的設計，主要用于醫(yī)用超聲診斷設備、理療設備和治療設備的超聲聲場參數(shù)測量。一種便攜式超聲聲場參數(shù)測量系統(tǒng)，所述測量系統(tǒng)包括超聲信號接收探測模塊，超聲信號處理模塊和超聲信號參數(shù)計算和輸出顯示模塊；本發(fā)明針對目前對醫(yī)用超聲設備的瞬態(tài)指標評估在產(chǎn)品的定型時期完成，需要通過復雜昂貴的聲場掃描系統(tǒng)來實現(xiàn)，并且定型鑒定費用高、耗時多，設備復雜占地大以及無法滿足日常檢定的測量要求等缺點，本發(fā)明設計的便攜式超聲聲場參數(shù)測量系統(tǒng)可以方便的測量超聲設備的超聲聲場輸出總功率、瞬時峰值聲壓等參數(shù)，使用方便快捷，可靠性高。
文檔編號G01H3/14GK102095485SQ200910249620
公開日2011年6月15日 申請日期2009年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月9日
發(fā)明者何龍標, 朱巖, 楊平, 祝海江, 邊文萍 申請人:中國計量科學研究院