本發(fā)明涉及聲學(xué)領(lǐng)域，尤其是涉及一種凹橢球面弱聚焦換能器的聲輻射力計算方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、超聲換能器是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為超聲波能量以及將超聲波能量轉(zhuǎn)換為電能的裝置，在特定的應(yīng)用場景中，換能器發(fā)出的超聲波會對物體產(chǎn)生作用力，即聲輻射力。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，聚焦換能器的聲輻射力被用于超聲成像、超聲治療等。例如，高強度聚焦超聲(hifu)治療技術(shù)利用聚焦換能器產(chǎn)生的高強度聲波聚焦于病變組織，通過熱效應(yīng)、機械效應(yīng)以及空化效應(yīng)等生物學(xué)效應(yīng)使病變組織變性，達到治療的目的，而在治療過程中對聲輻射力的精確控制是保證治療效果和安全性的關(guān)鍵。隨著材料科學(xué)、電子技術(shù)等的不斷發(fā)展，超聲換能器的性能不斷提升，使得聚焦換能器能夠更高效地產(chǎn)生聚焦聲波。例如，壓電陶瓷材料的性能不斷改進，使得換能器能夠在更高的頻率下工作，并且具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率；新型的換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計，如聚焦超聲壓電陶瓷的凹面形狀設(shè)計，能夠更好地將超聲波聚集成細束，提高焦點處的聲強。換能器作為治療性超聲設(shè)備的核心部件，而聚焦換能器輻射的聲功率的測量對于治療的安全性和有效性非常重要，聲輻射力法是目前國際電工委員會(iec)公認的使用最多的聲功率測量方法。其中聲輻射力計算對于測量聚焦換能器發(fā)射的超聲波功率的精度有很大影響。超聲換能器大多為球面聚焦換能器、柱面聚焦換能器及環(huán)形凹面換能器，因此計算的聲輻射力也多為計算以上三種對應(yīng)的聲輻射力，以上三種換能器的特點是點聚焦或線聚焦，而凹橢球面形狀使得換能器能夠?qū)崿F(xiàn)將超聲波能量集中在特定橢圓焦域區(qū)域為弱聚焦形式，提高能量密度，于前三者相比換能器的聚焦張角較小，聚焦程度相對較低，聚焦區(qū)域更大，因此上述三種換能器的聲輻射力的計算形式不使用計算凹橢球面形狀的換能器。

2、因此提供一種能夠適用于凹橢球面形狀的換能器的聲輻射力計算方法是需要解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種凹橢球面弱聚焦換能器的聲輻射力計算方法及系統(tǒng)，專用于凹橢球面換能器，從橢球面兩個方向的張角進行積分，比用球面積分來近似計算更加準(zhǔn)確。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

3、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種凹橢球面弱聚焦換能器的聲輻射力計算方法，所述的方法包括：

4、搭建聲輻射力測試場景：將凸圓錐形反射靶放置于換能器與焦點之間的任一位置，且所述的凸圓錐形反射靶的中軸線與所述的換能器表面的中軸線對齊，將換能器的焦點作為坐標(biāo)系原點，將中軸線作為坐標(biāo)系z軸，并隨機選取所述的凸圓錐形反射靶上一點作為目標(biāo)點；

5、換能器單元面積計算：獲取聲波射線射入目標(biāo)點的角度參數(shù)，基于所述的角度參數(shù)計算換能器單元投影面積，所述的角度參數(shù)包括換能器的半角孔徑在坐標(biāo)系xz平面中的角度、半角孔徑在坐標(biāo)系yz平面的角度、聲波射線與凸圓錐形反射靶表面法線的入射角以及聲波射線與z軸的角度；

6、聲輻射力求取：基于所述的單元投影面積求取換能器的聲輻射力。

7、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的單元投影面積的計算方法為：

8、

9、其中，a表示換能器凹橢球面的長半軸長，b表示換能器凹橢球面的短半軸長；c表示聲速；表示與換能器的半角孔徑在坐標(biāo)系xz平面中的角度和半角孔徑在坐標(biāo)系yz平面的角度相關(guān)的函數(shù)，且

10、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的聲輻射力求取的方法為：

11、獲取聲波射線射入目標(biāo)點的聲數(shù)據(jù)，所述的聲數(shù)據(jù)包括聲強和聲速；

12、基于聲強和聲速計算單元面積內(nèi)的聲輻射力，其表達式為：

13、

14、其中，f表示聲輻射力；c表示聲速；i表示聲強；γ表示聲波射線與z軸的角度；rf表示水和目標(biāo)界面處的壓力反射系數(shù)，且0≤rf≤1；ζ表示凸圓錐形反射靶表面的傾斜角為ζ＝δ+γ，δ表示聲波射線與凸圓錐形反射靶表面法線的入射角，γ表示聲波射線與z軸的角度；

15、獲取單元面積和單元投影面積之間的關(guān)系，將單元面積內(nèi)的聲輻射力計算轉(zhuǎn)換為計算單元投影內(nèi)的聲輻射力；

16、基于所述的單元投影面積，積分計算換能器的聲輻射力。

17、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的單元面積和單元投影面積之間的關(guān)系為：ids′＝i0ds，其中，i表示換能器凹橢球面上任一點的聲強；ds′表示單元面積；i0表示投影處聲強；ds表示單元投影面積。

18、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的積分計算換能器的聲輻射力的方法為：

19、

20、其中，i0表示投影處聲強；c表示聲速；α表示換能器的半角孔徑在坐標(biāo)系xz平面中的角度；β表示半角孔徑在坐標(biāo)系yz平面的角度；γ表示聲波射線與z軸的角度；水和目標(biāo)界面處的壓力反射系數(shù)，且0≤rf≤1；ζ表示凸圓錐形反射靶表面的傾斜角為ζ＝δ+γ，δ表示聲波射線與凸圓錐形反射靶表面法線的入射角，γ表示聲波射線與z軸的角度；a表示換能器凹橢球面的長半軸長，b表示換能器凹橢球面的短半軸長；c表示聲速；表示與換能器的半角孔徑在坐標(biāo)系xz平面中的角度和半角孔徑在坐標(biāo)系yz平面的角度相關(guān)的函數(shù)，且

21、根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種凹橢球面弱聚焦換能器的聲輻射力計算系統(tǒng)，所述的系統(tǒng)包括聲輻射力測試裝置：用于在聲輻射力測試場景中進行聲輻射力測試，其中聲輻射力測試場景為將凸圓錐形反射靶放置于換能器與焦點之間的任一位置，且所述的凸圓錐形反射靶的中軸線與所述的換能器表面的中軸線對齊，將換能器的焦點作為坐標(biāo)系原點，將中軸線作為坐標(biāo)系z軸，并隨機選取所述的凸圓錐形反射靶上一點作為目標(biāo)點；

22、數(shù)據(jù)采集裝置：用于采集聲輻射力測試裝置進行聲輻射力測試時產(chǎn)生的聲數(shù)據(jù)和角度參數(shù)；

23、聲輻射力計算模塊：基于數(shù)據(jù)采集模塊采集的聲數(shù)據(jù)和角度參數(shù)，執(zhí)行上述方法的步驟實現(xiàn)求取換能器的聲輻射力。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出了一種專用于凹橢球面弱聚焦換能器的聲輻射力計算方法，從換能器凹橢球面兩個方向的張角進行面積積分，相較于現(xiàn)有技術(shù)中僅通過一個張角進行面積積分，且本發(fā)明方法的提出使得計算凹橢球面弱聚焦換能器的聲輻射力時無需再使用球面積分進行近似計算，增加了凹橢球面的面積計算的精度，從而提高了聲輻射力的計算精度，為分析凹橢球面弱聚焦換能器聲輻射力特點和性能提供了更有力的支持。

技術(shù)特征：

1.一種凹橢球面弱聚焦換能器的聲輻射力計算方法，其特征在于，所述的方法包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種凹橢球面弱聚焦換能器的聲輻射力計算方法，其特征在于，所述的單元投影面積的計算方法為：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種凹橢球面弱聚焦換能器的聲輻射力計算方法，其特征在于，所述的聲輻射力求取的方法為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種凹橢球面弱聚焦換能器的聲輻射力計算方法，其特征在于，所述的單元面積和單元投影面積之間的關(guān)系為：ids′＝i0ds，其中，i表示換能器凹橢球面上任一點的聲強；ds′表示單元面積；i0表示投影處聲強；ds表示單元投影面積。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種凹橢球面弱聚焦換能器的聲輻射力計算方法，其特征在于，所述的積分計算換能器的聲輻射力的方法為：

6.一種凹橢球面弱聚焦換能器的聲輻射力計算系統(tǒng)，其特征在于，所述的系統(tǒng)包括聲輻射力測試裝置：用于在聲輻射力測試場景中進行聲輻射力測試，其中聲輻射力測試場景為將凸圓錐形反射靶放置于換能器與焦點之間的任一位置，且所述的凸圓錐形反射靶的中軸線與所述的換能器表面的中軸線對齊，將換能器的焦點作為坐標(biāo)系原點，將中軸線作為坐標(biāo)系z軸，并隨機選取所述的凸圓錐形反射靶上一點作為目標(biāo)點；

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種凹橢球面弱聚焦換能器的聲輻射力計算系統(tǒng)，其特征在于，所述的單元投影面積的計算方法為：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種凹橢球面弱聚焦換能器的聲輻射力計算系統(tǒng)，其特征在于，所述的聲輻射力求取的方法為：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種凹橢球面弱聚焦換能器的聲輻射力計算系統(tǒng)，其特征在于，所述的單元面積和單元投影面積之間的關(guān)系為：ids′＝i0ds，其中，i表示換能器凹橢球面上任一點的聲強；ds′表示單元面積；i0表示投影處聲強；ds表示單元投影面積。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種凹橢球面弱聚焦換能器的聲輻射力計算系統(tǒng)，其特征在于，所述的積分計算換能器的聲輻射力的方法為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種凹橢球面弱聚焦換能器的聲輻射力計算方法及系統(tǒng)，所述的方法包括：搭建聲輻射力測試場景用于進行換能器聲輻射力測試；基于聲輻射力測試場景的數(shù)據(jù)計算換能器的單元面積；基于所述的單元投影面積求取換能器的聲輻射力，所述的系統(tǒng)用于實現(xiàn)上述的方法。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種針對凹橢球面弱聚焦換能器的聲輻射力計算方法，為進行凹橢球面弱聚焦換能器聲輻射力特點和性能的分析提供了更有力的支持。

技術(shù)研發(fā)人員：鄒緒平,王杰文,賈東星,孫錕,陳錦標(biāo),應(yīng)士君
受保護的技術(shù)使用者：上海海事大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/28