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[!--downpath--]1.本发明涉及一种电声转换效率的检测方式，尤其涉及一种医用超声换能器电声转换效率的检测方式。
背景技术：
2.超声波是指频度小于20khz以上的声波，因其方向性好，穿透力强，已被广泛应用于超声刀放疗、超声波雾化、b超检测、超声波药业等众多医学领域。相较于传统放疗，超声刀放疗具有切割精度高、创伤范围小、凝血疗效佳、视野愈发清晰、手术时间急剧减短、术后恢复快等优点，给大夫和病人都带来了巨大益处。
3.超声放疗刀设备主要由高频功率源和超声震动系统两部份组成。超声震动系统又包括三个部份：超声换能器、超声变幅杆、超声刀刀头。其中，超声换能器是进行能量转换的元件，它可以将超声波发生器形成的振荡联通号转换成机械震动讯号，即把电能转化成机械能（声能）。超声换能器是震动系统中的一个关键部份，其性能例如电声转换效率直接影响到超声处理的疗效。关于超声换能器性能的测试，目前基本上限于在小讯号状态下的测试，常用的方式包括导纳和阻抗圆法，传输线法以及功率曲线法等。但是电功率p等于w吗，功率超声换能器大都工作在比较大的输入讯号下，关于超声换能器的大功率性能测试，因为换能器的非线性以及震动系统的复杂性，如波形畸变以及负载变化等，国外外至今没有一种通用的测试方式，也欠缺统一的国际和国家标准，因而，对于一些功率超声技术的评价缺少统一的标准，也难以评判大功率超声设备，如超声放疗刀、清洗机以及点焊机等的性能。
4.台湾学者于70年代提出了一种可以检测大功率超声换能器震动性能的高频电功率计法[morie,itok.ofthepowerofhighpowerusinghigh[c].proc..81,,1981:307～312]。该法可以检测换能器在大功率状态下的幅射声功率及电声效率，但是，这些方式存在一些致命的缺点，限制了其在实际中的应用。第一，为了检测换能器的介电耗损功率，须要两个性能完全一致的换能器，这一点在实际中是很难做到的。第二，为了得到换能器的介电及机械耗损功率，事先必须测出换能器的介电及机械耗损功率与换能器端电流和震动速率之间的依赖关系。鉴于上述缘由，这些方式至今仍没有在实际中得到广泛的应用。
技术实现要素：
[0005]
本发明为解决现有技术中存在的不足，提供一种医用超声换能器电声转换效率的检测方式，借助电功率计与干涉法来测试大功率下超声换能器的电声转换效率，具有设计简单、结构紧凑、测量精度高、适用范围广等特性，克服了现有技术的缺点。
[0006]
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：本发明一种医用超声换能器电声转换效率的检测方式，其特点在于，包括超声波发生器、电功率计、超声换能器、激光干涉仪。包括以下步骤：
s1：所述超声波发生器的输出端与所述电功率计联接，所述电功率计的输出端与超声换能器联接，借助电功率计检测超声换能器的输入电功率p
；s2：所述激光干涉仪检测超声换能器在半个震动周期中干涉白色的数目n，所述激光干涉仪线性判别力≤0.01um，并估算出超声换能器的表面位移振幅a，，式中：λ为光波波长，n为空气折射率；s3：通过下式估算超声换能器的震动速率v：；式中：w为角频度，f为谐振频度；s4：通过下式估算超声换能器的幅射声阻r
：式中：ρ为空气密度，c为空气波速，k为波数，k=2πf/c，a为超声换能器的直径；s5：通过下式估算超声换能器的幅射声功率p
：；s6：通过下式估算超声换能器的电声转换效率η：η=p
/p
。
[0007]
作为优选方案，本发明一种医用超声换能器电声转换效率检测方式，其特点在于，在步骤s1之前还包括：装配超声换能器：首先采用醇酸树脂将经过表面处理的极化后压电陶瓷片、镀银电极片、前金属盖板及清军属盖板之间胶合，之后用螺丝将以上各部件固定在一起，且使同轴度在0.02mm以内，最后进行老化处理得到待测超声换能器。
[0008]
作为优选方案，本发明一种医用超声换能器电声转换效率检测方式，其特点在于，所述表面处理包括：对压电陶瓷片表面进行碾磨和精密抛光，使其粗糙度ra≤500nm。
[0009]
作为优选方案，本发明一种医用超声换能器电声转换效率检测方式，其特点在于，所述老化处理包括：将超声换能器放在热处理炉中，在90℃~110℃保温12~24h。
[0010]
作为优选方案，本发明一种医用超声换能器电声转换效率检测方式，其特点在于，所述超声波发生器用于形成频度为50khz~60khz的驱动讯号，用于提供功率为20~50w。
[0011]
作为优选方案，本发明一种医用超声换能器电声转换效率检测方式，其特点在于，所述电功率计的带宽为50khz~，功率偏差限制为
±
0.1%。
[0012]
作为优选方案，本发明一种医用超声换能器电声转换效率检测方式，其特点在于，所述压电陶瓷为pzt4、pzt8中的一种。
[0013]
作为优选方案，本发明一种医用超声换能器电声转换效率检测方式，其特点在于，所述电极片为铜质、青铜、铍青铜中的一种。
[0014]
作为优选方案，本发明一种医用超声换能器电声转换效率检测方式，其特点在于，所述前金属盖板为铝合金7075、铝合金7175、铝合金7475中的一种。
[0015]
作为优选方案，本发明一种医用超声换能器电声转换效率检测方式，其特点在于，所述元朝属盖板为304l碳钢、310l碳钢、316l碳钢中的一种。
[0016]
原理与优势借助压电效应而制成的换能器称为压电超声换能器。压电效应分为正压电效应和
逆压电效应，压电效应是可逆的。正压电效应是指压电材料（例如压电陶瓷）遭到外力作用而发生形变时，在其表面会出现电荷，即力生电或机械能转化为电能。逆压电效应是指压电材料（例如压电陶瓷）遭到外电场作用而发生形变，即电生力或电能转换为机械能（声能）。
[0017]
发明人在探求中发觉压电超声换能器的电声转换效率η可以用输入电功率与输出声功率的比值来表示。借助超声波发生器赋于的大功率（20~50w）可以模拟超声换能器实际工况，并借助高精度（功率偏差限制为
±
0.1%）的电功率计获取工况下超声换能器的输入电功率p
。输出声功率p
可以用干涉法来求出。一束激光经过分光镜分成两束，其中一束可以直接抵达光电测量器，另外一束先入射到换能器的震动表面，再反射回到光电测量器。这两束激光在测量平面上产生一组长度为h的干涉白色，在x处检查器的输出光电流i可以表示为：（1）光电测量器输出的光电流信号i是一个调频讯号，它的瞬时频度直接反比于换能器表面的瞬时振速，但是当换能器表面位移变化一个λ/2n时，光电测量器的输出讯号就改变一个周期电功率p等于w吗，等于在检查器移过一条白色。这样就可以通过记录光电流讯号i来测出换能器在半个震动周期中干涉白色的数目n。并估算出超声换能器的表面位移振幅a，表达式为：（2）式中：λ为光波波长，n为空气折射率。
[0018]
超声换能器的震动速率v与振幅a的关系式为：（3）对于超声换能器，相当于一个直径为a，它的幅射声阻r
可以近似为：（4）式中：ρ为空气密度，c为空气波速，k为波数，k=2πf/c，a为超声换能器的直径。
[0019]
通过（3）和（4）式可以确定超声换能器的幅射声功率p
：（5）最后，通过下式估算超声换能器的电声转换效率η：η=p
/p
。
[0020]
本发明通过大量的实验发觉，电声转换效率η的检测结果和精度受以下几个方面的影响：1）各部件同轴度，同轴度的差别将影响机械能的集聚和分布，从而改变压电陶瓷的电声转换效率大小；2）部件表面粗糙度，零件表面越光滑，界面之间形成的机械损耗越少，越有利于电声转换效率的提升；3）老化处理的必要性，实验中发觉对未老化的换能器进行多次检测，电声转换效率的结果变化很大，缘由是换能器须要一个比较长的时间使电畴的分布变均匀，这样换能器的状态才是稳定的。为此通过人工老化，推动电畴均匀化分布的进程，适宜于批量生产，也更利于获得稳定的电声转换效率；4）电功率计和激光干涉仪的检测精度，二者读数的精确程度直接影响电声转换效率的精度，因而选择检测精度为
±
0.1%的电功率计。在上述的工艺参数的控制下，可以保证本测试方式的检测结果可靠且精度高。
[0021]
与现有技术相比，本发明的优势如下：1）结构简单。只须要在超声换能器和发生器之间联接一个电功率计；2）检测精度高。检测精度可控制在1%，是现有生产技术3~4倍；3）适用范围广。可满足任一压电陶瓷换能器的需求。
[0022]
综上所述，本发明借助电功率计与干涉法来测试大功率下超声换能器的电声转换效率，具有设计简单、结构紧凑、测量精度高、适用范围广等优点，解决了现有技术中结构复杂、操作不便、精度低等问题，能挺好的满足压电陶瓷换能器的需求，很适宜用于测试超声换能器的电声转换效率。
附图说明
[0023]
图1是医用超声换能器电声转换效率检测方式的电路图。
[0024]
图2是医用超声换能器的示意图。
具体施行方法
[0025]
以下结合两个实例对本发明方式作进一步说明。
[0026]
借助电功率计与干涉法来测试大功率下超声换能器的输入电功率和输出声功率，再依照二者的比值来算出电声转换效率的大小。
[0027]
施行例1：一种医用超声换能器电声转换效率的检测方式，其过程如下：a、超声换能器的装配：采用醇酸树脂将粗糙度ra为400nm的极化后pzt4压电陶瓷片（1）、镀银黄铜电极片（2）、前盖板铝合金7075（3）以及后盖板304l碳钢（4）之间胶合，之后用螺丝（5）将以上各部件固定在一起，如图2所示，同轴度控制在0.02mm，最后进行90℃保温24h老化处理得到待测超声换能器；b、超声波发生器的输出端与电功率计联接，电功率计的输出端与超声换能器联接，超声波发生器提供频度为55khz的余弦讯号，借助电功率计测出超声换能器的输入电功率p
为30w；c、激光干涉仪测出换能器在半个震动周期中干涉白色的数目n为31.5，并估算出超声换能器的表面位移振幅a为9.45um；因而估算出震动速率v为3.29m/s；超声换能器的幅射声阻r
为1.2ω。
[0028]
d、最后估算出超声换能器的幅射声功率p
为13w，电声转换效率η为0.43。
[0029]
施行例2：一种医用超声换能器电声转换效率的检测方式，其过程如下：a、超声换能器的装配：采用醇酸树脂将粗糙度ra为450nm的极化后pzt8压电陶瓷片、镀银青铜电极片、前盖板铝合金7075以及后盖板304l碳钢之间胶合，之后用螺丝将以上各部件固定在一起，同轴度控制在0.015mm，最后进行110℃保温12h老化处理得到待测超声换能器；b、超声波发生器的输出端与电功率计联接，电功率计的输出端与超声换能器联接，超声波发生器提供频度为50khz的余弦讯号，借助电功率计测出超声换能器的输入电功率p
为48w；
c、激光干涉仪测出换能器在半个震动周期中干涉白色的数目n为38.7，并估算出超声换能器的表面位移振幅a为11.61um；因而估算出震动速率v为3.65m/s；超声换能器的幅射声阻r
为1.42ω。
[0030]
d、最后估算出超声换能器的幅射声功率p
为19w，电声转换效率η为0.4。
[0031]
以上所述实例仅是本发明较优的施行方式，故不能借此限定本发明的施行范围，其他根据本发明的原理和内容所做的等效改变、修饰、替代和组合，都仍属于本发明的保护范围。
技术特点：
1.一种医用超声换能器电声转换效率的检测方式，其特点在于，包括超声波发生器、电功率计、超声换能器、激光干涉仪，包括以下步骤：s1：所述超声波发生器的输出端与所述电功率计联接，所述电功率计的输出端与超声换能器联接，借助电功率计检测超声换能器的输入电功率p
；s2：所述激光干涉仪检测超声换能器在半个震动周期中干涉白色的数目n，所述激光干涉仪线性判别力≤0.01um，并估算出超声换能器的表面位移振幅a，，式中：λ为光波波长，n为空气折射率；s3：通过下式估算超声换能器的震动速率v：；式中：w为角频度，f为谐振频度；s4：通过下式估算超声换能器的幅射声阻r
：式中：ρ为空气密度，c为空气波速，k为波数，k=2πf/c，a为超声换能器的直径；s5：通过下式估算超声换能器的幅射声功率p
：；s6：通过下式估算超声换能器的电声转换效率η：η=p
/p
。2.按照权力要求1所述的医用超声换能器电声转换效率检测方式，其特点在于，在步骤s1之前还包括：装配超声换能器：首先采用醇酸树脂将经过表面处理的极化后压电陶瓷片、镀银电极片、前金属盖板及清军属盖板之间胶合，之后用螺丝将以上各部件固定在一起，且使同轴度在0.02mm以内，最后进行老化处理得到待测超声换能器。3.按照权力要求2所述的医用超声换能器电声转换效率检测方式，其特点在于，所述表面处理包括：对压电陶瓷片表面进行碾磨和精密抛光，使其粗糙度ra≤500nm。4.按照权力要求2所述的医用超声换能器电声转换效率检测方式，其特点在于，所述老化处理包括：将超声换能器放在热处理炉中，在90℃~110℃保温12~24h。5.按照权力要求1至4任一项所述的医用超声换能器电声转换效率检测方式，其特点在于，所述超声波发生器用于形成频度为50khz~60khz的驱动讯号，用于提供功率为20~50w。6.按照权力要求1至4任一项所述的医用超声换能器电声转换效率检测方式，其特点在于，所述电功率计的带宽为50khz~，功率偏差限制为
±
0.1%。7.按照权力要求1至4任一项所述的医用超声换能器电声转换效率检测方式，其特点在于，所述压电陶瓷为pzt4、pzt8中的一种。8.按照权力要求4所述的医用超声换能器电声转换效率检测方式，其特点在于，所述电极片为黄铜、青铜、铍青铜中的一种。9.按照权力要求4所述的医用超声换能器电声转换效率检测方式，其特点在于，所述前金属盖板为铝合金7075、铝合金7175、铝合金7475中的一种。10.按照权力要求4所述的医用超声换能器电声转换效率检测方式，其特点在于，所述
联军属盖板为304l碳钢、310l碳钢、316l碳钢中的一种。
技术总结
本发明公开了一种医用超声换能器电声转换效率的检测方式，分别借助电功率计与干涉法来测试大功率下超声换能器的输入电功率和输出声功率，再依照三者的比值来算出电声转换效率的大小。与现有技术相比，具有设计简单、结构紧凑、测量精度高、适用范围广等优点，能挺好的满足压电陶瓷换能器的需求，很适宜用于测试超声换能器的电声转换效率。声换能器的电声转换效率。声换能器的电声转换效率。
技术研制人员：李益民王霄
受保护的技术使用者：山东瀚德微创医疗科技有限公司
技术研制日：2021.08.23
技术公布日：2021/11/23
