Application of Infrared Thermography on the Measurement of the Focal Plane of a Focused Transducer
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摘要: 为了更好地研究聚焦超声换能器的声场特性,提出了一种利用红外热成像技术测量聚焦换能器焦域尺寸的方法。通过在换能器焦平面上放置薄膜型吸声材料,使用红外热成像仪测量超声功率作用下焦平面上的温度分布来确定焦域尺寸。使用水听器扫描法对相同的聚焦换能器进行了测量,并对聚焦换能器的声场分布进行了理论分析,结果显示-6dB波束宽度的不一致性在5%以内,验证了利用红外热成像技术测量聚焦超声换能器声场分布的可行性。Abstract: In order to better study the acoustic field characteristics of focused ultrasound transducers, this paper proposes a method for measuring the focal domain size of focused transducers using infrared thermal imaging technology. The focal size is determined by placing a thin film type sound-absorbing material on the focal plane of the transducer and measuring the temperature distribution on the focal plane under ultrasound power using an infrared thermal imager. This article simultaneously used the hydrophone scanning method to measure the same focusing transducer, and conducted a theoretical analysis of the sound field distribution of the focusing transducer. The results showed that the inconsistency of the -6dB beam width was within 5%, verifying the feasibility of using infrared thermal imaging technology to measure the sound field distribution of the focusing ultrasonic transducer.
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表 1 模型中使用的材料属性
Table 1. Material properties used in the model
水 红外光学玻璃 声速(m/s) 1500 5639 密度(kg/m3) 1000 2203 表 2 不同组别下焦域宽度测量结果
Table 2. Measurement results of focal region size at different groups
组别 a b c Y轴尺寸(mm) 2.6 3.0 2.8 Z轴尺寸(mm) 2.8 3.0 3.0 平均尺寸(mm) 2.7 3.0 2.9 表 3 不同功率情况下-6dB宽度声场测量结果
Table 3. Measurement results of -6dB wide sound field under different powers conditions
功率(W) 20 30 50 -6dB宽度(mm) 3.0 3.0 2.8 -
[1] 冯若, 朱辉, 邹建中. 高强度聚焦超声(HIFU)技术迅速发展的五年[J]. 声学技术, 2006, 25(4): 387-391. doi: 10.3969/j.issn.1000-3630.2006.04.024 [2] 林喜鉴. 基于水听器法的超声换能器声场特性校准技术的研究[J]. 市场监管与质量技术研究, 2022(3): 4. doi: 10.3969/j.issn.1674-5981.2022.03.006 [3] 戴敏达. 高强度聚焦超声换能器声功率测量方法研究[D]. 杭州: 中国计量大学, 2019. [4] 邝胜利. 基于量热法的高强度聚焦超声功率测量和双频共焦增效研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2008. [5] 国家质量监督检验检疫总局. 声学 高强度聚焦超声(HIFU)声功率和声场特性的测量: GB/T 19890-2005[S]. 北京: 中国标准出版社, 2005. [6] 寿文德, 余立立, 段世梅, 等. 球面聚焦超声换能器的电声特性和测量方法的研究[J]. 声学技术, 2013, 32(5): 379-389. [7] 江海军, 盛涛, 郑金华, 等. 超声红外热成像技术国内研究现状与进展[J]. 红外技术, 2023, 45(10): 1020-1028. [8] 孔松涛, 徐甄泽, 林星宇, 等. 基于改进YOLO v5算法的光伏组件红外热成像缺陷检测[J]. 红外技术, 2023, 45(9): 974-981. [9] 刘鹏林, 唐帆, 季雪超, 等. 近红外荧光成像技术导航在卵巢癌手术中应用的研究进展[J]. 现代妇产科进展, 2023, 32(8): 621-623. [10] 沈国峰, 余瑛, 张鹤林, 等. 红外热成像聚焦超声声场测量方法综述[J]. 声学技术, 2019, 38(1): 1-4. [11] 张光汉, 白景峰. 基于红外热成像的高强度聚焦超声相控特性测量方法[J]. 中国医疗器械杂志, 2017, 41(2): 103-106. doi: 10.3969/j.issn.1671-7104.2017.02.007 [12] 常帅帅. 基于水听器的高强度声场参数测量研究[D]. 北京: 北京化工大学, 2017. [13] 张光汉. 协同红外热成像的聚焦超声声场检测技术研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2017. [14] Guofeng S, Ying Y, Helin Z, et al. The effect of acoustic absorber's physical parameters on estimating acoustic intensity in high intensity focused ultrasound field using infrared thermometry[J]. Chinese Journal of Acoustics, 2021, 40(2): 224-238. [15] 陈锦灵, 王月兵, 赵鹏, 等. 球壳换能器电声效率测量方法及声场特性分析[J]. 应用声学, 2023, 42(1): 138-144. [16] 钱祖文. 高强度聚焦超声(HIFU)—一门多学科的研究课题[J]. 物理, 2007, 36(9): 701-702. doi: 10.3321/j.issn:0379-4148.2007.09.014 [17] 杜功焕, 朱哲民, 龚秀芬. 声学基础[M]. 南京: 南京大学出版社, 2012. [18] MYERS M R, GIRIDHAR D. Theoretical framework for quantitatively estimating ultrasound beam intensities using infrared thermography[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2011, 129(6): 4073-4083. doi: 10.1121/1.3575600 [19] 苏佳伟, 石俊生, 汪炜穑. 距离对红外热像仪测温精度影响及提高精度的实验研究[J]. 红外技术, 2013, 35(9): 587-590 doi: 10.11846/j.issn.1001_8891.201309012 [20] 鲁宗蕊, 钱飞明, 邢广振, 等. 基于空间平均效应修正的水听器校准方法研究[J]. 计量学报, 2023, 44(12): 1856-1862. doi: 10.3969/j.issn.1000-1158.2023.12.11 [21] 钱飞明, 邢广振, 祝海江, 等. 高频水听器校准中非线性空间平均效应修正[C]. 北京: 中国声学学会, 2017. [22] 沈国峰, 余瑛, 张鹤林, 等. 超声吸收体物理参数对红外热成像测量高强度聚焦超声声场的影响[J]. 声学学报, 2020, 45(5): 739-748. [23] YU Y, SHEN G, ZHOU Y, et al. Quantitative assessment of acoustic intensity in the focused ultrasound field using hydrophone and infrared imaging[J]. Ultrasound in Medicine and Biology, 2013, 39(11): 2021-2033. doi: 10.1016/j.ultrasmedbio.2013.05.004 [24] DUSHYANTH GIRIDHAR, RONALD A ROBINSON, YUNBO LIU, et al. Quantitative estimation of ultrasound beam intensities using infrared thermography-Experimental validation[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2012, 131(6): 4283-4291. doi: 10.1121/1.4711006 [25] KHOKHLOVA V A, SHMELEVA S M, GAVRILOV L R, et al. Infrared mapping of ultrasound fields generated by medical transducers: Feasibility of determining absolute intensity levels[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2013, 134(2 Pt. 2): 1586-1597. -