Устройство для определения параметров ультразвукового преобразователя

Полезная модель относится к области акустических измерений и может быть использована для визуальной оценки и измерения распределения интенсивности ультразвукового излучения, генерируемого преобразователями ультразвукового оборудования в воде. Техническим результатом предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства за счет оценки распределения интенсивности ультразвукового излучения в пространстве, а также уменьшение погрешности измерения интенсивности. Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для определения параметров ультразвукового преобразователя, содержащем емкость с дегазированной водой, на дне которой установлен поглотитель, формирователь газовых пузырьков и устройство их регистрации. В качестве формирователя пузырьков используется дополнительный ультразвуковой излучатель с излучением ультразвуковой волны под углом к направлению излучения исследуемого преобразователя, а устройство регистрации газовых пузырьков выполнено в виде прибора для фотосъемки. Предлагаемое устройство обеспечивает возможность оценки распределения интенсивности ультразвукового излучения в плоскости фотоизображения в ближней и дальней зонах и визуальной оценки основных характеристик акустического поля - зоны фокуса, угла расхождения, протяженности ближней зоны. Определение размера газового пузырька обеспечивается с точностью ±15%.

Полезная модель относится к области акустических измерений и может быть использована для визуальной оценки и измерения распределения интенсивности ультразвукового излучения, генерируемого преобразователями ультразвукового оборудования в воде.

Известны способ и устройство измерения ультразвуковой мощности излучения, основанные на определении электрической мощности, идущей на нагрев УЗ преобразователя и на нагрев среды за счет ультразвукового излучения (Патент РФ 2152007 от 27.06.2000).

Недостатками известного способа является недостаточная чувствительность к низким уровням интенсивности ультразвукового оборудования, невозможность оценки распределения интенсивности в пространстве.

Кроме того, известны устройства измерения мощности, реализующие метод, основанный на измерении радиационного давления (ультразвуковые ваттметры, ультразвуковые радиометры, измерители мощности ультразвука в воде) (Ультразвук в медицине. Физические основы его применения. / Под ред. К. Хила, Дж. Бамбера, Г. тер Хаар. М.: Физматлит, 2008, 540 с), в основу работы которых положен метод гравитационного уравновешивания радиационного воздействия ультразвуковой волны, падающей вертикально сверху или снизу на находящуюся в воде мишень (отражающего или поглощающего типа).

Недостатками известных способов и реализующих их устройств являются искажение акустического поля мишенью, недостаточный уровень чувствительности при измерении малых ультразвуковых интенсивностей, невозможность измерения интенсивности ультразвуковых волн, идущих под углом к поверхности ввода, невозможность оценки распределения интенсивности в пространстве.

Наиболее близким устройством к заявляемому изобретению является устройство измерения интенсивности ультразвукового излучения, основанное на измерении скорости движении мишени в виде пузырька, вызванной действием радиационной и выталкивающей сил (Патент РФ на полезную модель 127907 от 10.05.2013).

Недостатками прототипа являются ограниченные функциональные возможности устройства (невозможность оценки распределения интенсивности ультразвукового излучения в пространстве), а также низкая точность измерения интенсивности, связанная с низкой точностью определения скорости движения и размера пузырька вследствие его движения и ограничения частоты оцифровки видеоизображения.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства за счет оценки распределения интенсивности ультразвукового излучения в пространстве, а также уменьшение погрешности измерения интенсивности.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для определения параметров ультразвукового преобразователя, содержащем емкость с дегазированной водой, на дне которой установлен поглотитель, формирователь газовых пузырьков и устройство их регистрации, согласно предложению, в качестве формирователя пузырьков используется дополнительный ультразвуковой излучатель с излучением ультразвуковой волны под углом к направлению излучения исследуемого преобразователя, а устройство регистрации газовых пузырьков выполнено в виде прибора для фотосъемки.

В основе работы устройства лежит метод гравитационного уравновешивания силы радиационного давления ультразвуковой волны F_R и выталкивающей силы F _V, действующих на мишень. В качестве мишени в устройстве используется газовые пузырьки в жидкости, находящиеся в ультразвуковом поле исследуемого излучателя.

Выталкивающая сила F_V, действующая на пузырек:

где g=9,8 м/с² - ускорение свободного падения, ₀ и - плотность жидкости и пузырька.

Сила радиационного давления:

где I - интенсивность ультразвукового излучения, k=2/=2f₀/C₀ - волновое число, f_p - частота ультразвукового излучения исследуемого преобразователя, =₀/, µ=C/C₀, C₀ и C - скорость звука в жидкой среде и в газе пузырька.

Действие указанных сил приводит к состоянию равновесия пузырьков, местоположение которых в жидкости определяется диаметром пузырька, уровнем интенсивности, формой акустического поля исследуемого излучателя.

Равнодействующая сила определяется выражением ( - угол ввода ультразвуковой волны исследуемым преобразователем).

В качестве формирователя пузырьков в устройстве используется дополнительный ультразвуковой излучатель, на который с помощью генератора синусоидальных сигналов и усилителя мощности подается электрическое напряжение, достаточное для создания стабильной акустической кавитации, в процессе которой формируются газовые пузырьки в поле исследуемого преобразователя за счет превышения пороговой интенсивности I_n, определяемой частотой ультразвукового излучения f, давлением в окружающей атмосфере P₀ и содержанием газа в жидкости:

где - коэффициент затухания в воде, =f_ф/f, f - резонансная частота пузырька, f _ф - частота ультразвукового излучения дополнительного излучателя, формирующего пузырьки, - поверхностное натяжение жидкости, C - концентрация газа в жидкости в отсутствии пузырька, C₁ - концентрация газа в насыщенной жидкости, ₀ - плотность жидкости, C₀ - скорость звука в жидкости, R₀ - начальный радиус пузырька.

Фоторегистрация пузырьков, находящихся в равновесии, и анализ их распределения по размерам в пространстве позволяет оценить распределение интенсивности исследуемого излучателя.

Использование в устройстве в качестве формирователя пузырьков дополнительного ультразвукового излучателя, возбуждаемого генератором синусоидальных сигналов через регулируемый усилитель мощности, и формирующего за счет эффекта стабильной кавитации газовые пузырьки, находящиеся в состоянии равновесия в поле исследуемого преобразователя, обеспечивает дополнительную функциональную возможность - оценку распределения интенсивности ультразвукового излучения.

Использование в устройстве в качестве регистратора прибора для фотосъемки, регистрирующего картину распределения газовых пузырьков и анализатора фотоизображения, измеряющего диаметры пузырьков, находящихся в равновесии, и строящего картину распределения интенсивности, позволяет уменьшить погрешность определения диаметров пузырьков, а, следовательно, уменьшить погрешность определения интенсивности.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана блок-схема устройства для определения параметров ультразвукового преобразователя; на фиг. 2 - зависимость порогового значения интенсивности I_n от частоты f_ф УЗ излучения; на фиг. 3 - номограмма для определения интенсивности ультразвукового излучения; на фиг. 4 - фотоизображение пузырьков, находящихся в состоянии равновесия; на фиг. 5 - пример оценки распределения интенсивности ультразвукового излучения.

Устройство для определения параметров ультразвукового преобразователя (фиг. 1) содержит емкость 1 с водой, исследуемый ультразвуковой излучатель 2, генератор 3 синусоидальных сигналов, регулируемый усилитель 4 мощности, формирователь 5 пузырьков, прибор 6 для фотосъемки, поглотитель 7.

Устройство работает следующим образом. На дне прозрачной емкости 1 с водой расположен поглотитель 7 ультразвуковых колебаний. Дополнительный низкочастотный преобразователь 5, возбуждаемый генератором 3 синусоидальных сигналов через регулируемый усилитель 4 мощности и выступающий в качестве формирователя 5 пузырьков, излучает под углом в воду ультразвуковую волну с интенсивностью, превышающей пороговое значение стабильной кавитации I_n , формируя в своем поле газовые пузырьки. Для достижения порога кавитации на формирователь 5 пузырьков с помощью генератора 3 синусоидальных сигналов, соединенного с усилителем 4 мощности, подается требуемое для достижения порога кавитации электрическое напряжение. Диаметры формируемых пузырьков могут варьироваться за счет изменения частоты возбуждения генератора 3 и коэффициента усиления усилителя 4. Зависимость порогового значения интенсивности I_n от частоты f_ф УЗ излучения (фиг. 2) позволяет определить интенсивность для достижения стабильной кавитации пузырьков с помощью формирователя 5 пузырьков в зависимости от частоты излучения формирователя пузырьков и начального радиуса R₀ пузырька (1 - R₀=1 мкм, 2 - R₀ =5,5 мкм, 3 - R₀=10 мкм).

Исследуемый ультразвуковой излучатель 2 на рабочей частоте f_p излучения излучает ультразвуковую волну, формирующую акустическое поле в жидкости с некоторой интенсивностью излучения I. После выключения формирователя пузырьков в емкости 1 с водой в поле исследуемого излучателя наблюдается распределение пузырьков, размеры которых зависят от интенсивности излучения в данной точке пространства. Сформированная картина распределения находящихся в состоянии равновесия пузырьков регистрируется с помощью прибора 6 для фотосъемки и далее обрабатывается в анализаторе фотоизображения, измеряющем диаметры пузырьков, и строящем распределение интенсивности в плоскости фотоизображения в соответствии с номограммой для определения интенсивности ультразвукового излучения (фиг. 3) на рабочей частоте f_p излучения (1 - 0,88 МГц, 2 - 1,5 МГц, 3 - 2,5 МГц, 4 - 3,5 МГц, 5 - 5 МГц, 6 - 7,5 МГц, 7 - 10 МГц, 8 - 12,5 МГц).

Устройство использовано для оценки распределения интенсивности ультразвукового излучения терапевтического аппарата (f_p=880 кГц, I=0,05 Вт/см). Зарегистрированная картина распределения находящихся в состоянии равновесия пузырьков в акустическом поле терапевтического излучателя представлена на фиг. 4. Результат анализа диаметров пузырьков на фотоизображении и их пересчета в значение интенсивностей на центральной оси исследуемого излучателя представлены на фиг. 5. Результаты экспериментальной визуализации показывают некоторое отклонение акустического поля от расчетных представлений, что обусловлено влиянием элементов конструкции (корпуса, протектора) УЗ преобразователя.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает возможность оценки распределения интенсивности ультразвукового излучения в плоскости фотоизображения в ближней и дальней зонах и визуальной оценки основных характеристик акустического поля - зоны фокуса, угла расхождения, протяженности ближней зоны. Определение размера газового пузырька обеспечивается с точностью ±15%.

Устройство для определения параметров ультразвукового преобразователя, содержащее емкость с дегазированной водой, на дне которой установлен поглотитель, формирователь газовых пузырьков и устройство их регистрации, отличающееся тем, что в качестве формирователя пузырьков используется дополнительный ультразвуковой излучатель с излучением ультразвуковой волны под углом к направлению излучения исследуемого преобразователя, а устройство регистрации газовых пузырьков выполнено в виде прибора для фотосъемки.

РИСУНКИ