相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置及控制方法，所述超声装置包括控制发射的超声主机和超声换能器阵列，超声换能器阵列用于电

【技术实现步骤摘要】
相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置及控制方法


[0001]本专利技术涉及一种相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置及控制方法，属于工业超声设备


技术介绍

[0002]超声波是一种振动频率超过20000Hz的机械振动，它的方向性好、声能集中，一般由超声换能器产生，可在固体、液体、气体中传播。超声波在工业、医疗等领域具有广泛的应用前景，如超声焊接、超声成像等。将多个独立的换能器组成阵列可以构成超声相控阵，按一定规则的幅度和时序激发各个晶片单元，可以实现超声聚焦，并改变焦点位置和聚焦方向。
[0003]管道是常见的液体输送装置，其内部应为光滑的表面，不会阻碍液体的流动。但实际场景中，因为制造工艺不佳、异物入侵等原因可能导致管道内异物积累而形成栓塞体。随着时间推移，小栓塞最终可能在管道的横截面区域中占据相当大的部分，从而降低管道内流体的流速，导致财产损失和其他严重后果。
[0004]传统的管道堵塞检测方法有振动分析、瞬变流法等，疏通方法有人工清理、机器人清理、疏通剂清理等，但这些方法费时费力或存在环境污染的风险。近年来，超声技术在管道栓塞的检测和清理方面得到了广泛的应用。但目前超声去除管道内栓塞物的相关方法仍存在一些不足：第一，疏通超声多为单探头，难以满足不同情况下所需的声束偏转需求；第二，超声波垂直作用于管道内栓塞物，破碎效率低。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术存在的不足，本专利技术提出了一种相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置及控制方法。
[0006]本专利技术采取的技术方案如下：
[0007]一方面，本专利技术提供了一种相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置，其包括超声主机和超声换能器阵列，所述超声换能器阵列用于将电信号转化为声信号，并依据所需要的偏转角和发射孔径，发射不同的超声场，所述超声主机用于控制去除管道内栓塞物所需的发射，并且实现相控角调整，进而实现管道内栓塞物的去除。
[0008]进一步的，所述超声主机包括超声发射电路和FPGA，所述FPGA和超声发射电路相连接，并与PC通过通信接口连接；所述超声发射电路与超声换能器阵列连接，在FPGA的控制下驱动超声换能器阵元发射超声波。
[0009]进一步的，所述FPGA用于负责与PC通信、控制超声发射；所述超声发射电路根据FPGA的控制指令，发射指定相位的超声信号。
[0010]进一步的，所述超声发射电路由多个并行的发射单元构成，每个发射单元驱动一个通道的换能器，用于满足去除管道内栓塞物时对较大功率发射的需要。
[0011]进一步的，所述超声换能器阵列呈线形形式，共N个阵元，每个阵元宽度为L，相邻
阵元之间间隔为dL，发射时通过驱动信号相位的不同实现声束偏转。
[0012]另一方面，本专利技术还提供了一种相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置的控制方法，首先根据测得的数据设置超声装置的超声发射参数，接着系统自动设置偏转角并计算对应的发射孔径，然后系统自动发射偏转聚焦超声进行疏通，最后经过设定的疏通时间后完成疏通。
[0013]进一步的，首先设置声束偏转角，然后超声主机产生控制信号并驱动超声换能器阵列发射所需的超声波，其中超声波的发射包括相控聚焦和相控偏转。
[0014]进一步的，先利用成像设备定位管道的栓塞区域并获得相关数据，然后操作者根据测得的数据设置发射参数。
[0015]进一步的，在上述成像设备获得的图像上，规定水平向右为x轴正方向，垂直向上为y轴正方向；然后计算栓塞物顶部因超声发射而产生的流动导致的剪切力，并得到剪切力取得最大值时的声束偏转角|θ|，取声束垂直于x轴入射的情况为0
°
；剪切力|F|的计算公式为：
[0016][0017]其中ρ0为流体的密度，ω为超声角频率，u
x
和u
y
分别为流体质点在超声和栓塞物共同影响下产生的x和y方向的位移，|F|表示复数量F的幅值，表示括号内部多项式的实部，和分别表示u
x
和u
y
的共轭，u
x
和u
y
由超声参数、流体参数和栓塞物参数共同决定，并与超声声束入射角有关，由于计算过程繁杂不具体展开。
[0018]进一步的，根据不同的设置偏转角，开启不同的阵元个数，设置偏转角θ绝对值越大，开启阵元数量越少，以换能器阵元产生的声压下降到最大值的一半，即
‑
6dB处的角度为准，若换能器阵元中心点与焦点之间的连线与换能器法线方向的夹角小于
‑
6dB半开角，则该阵元开启，半开角α的计算公式为：
[0019][0020]其中λ为传播介质中的声波波长，L为换能器阵元的宽度。
[0021]本专利技术的原理及效果如下：
[0022]本专利技术通过调整超声入射角，以增大栓塞物上方流体的切向流速，获得对栓塞物表面的较大剪切力，从而优化超声去除管道内栓塞物的效果。
[0023]超声波属于机械波，处于声场作用下的流体会受到超声波的作用从而被推动。在狭窄腔道环境如被栓塞物阻塞的管道中，若超声垂直入射，被推动的流体碰到障碍后自然向两边流动，从而在栓塞物表面流过的横向流体产生剪切力，温和地促使栓塞物剥落溶解，以达到去除管道内栓塞物的效果，但这样去除管道内栓塞物的速度慢。若超声并非垂直入射，而是与栓塞物法向形成一夹角，则超声作用中还加入了对栓塞物切向的辐射力，在某些角度下会导致更大的切向流体流速和更大的剪切力，从而增强去除管道内栓塞物效果。根据理论结果，存在一个最优偏转角，使得横向流体流速和剪切力达到最大，本专利技术即是利用这一结论优化超声去除管道内栓塞物的效果。
[0024]由于换能器阵列的每个阵元都有一定的宽度，在声波发射时存在不同角度上声场
强度不同的固有特性。在换能器阵列进行聚焦发射，尤其是焦点处偏转角较大的时候，阵列边缘的某些阵元所发射的声束对形成良好的焦点并没有帮助，甚至会破坏主瓣外的声场分布，所以需要根据焦点的位置控制阵元的发射状态，只打开一部分阵元进行发射，即为变孔径控制方式。
[0025]其次，本专利技术采用动态孔径的方法进行超声聚焦，根据具体的设置偏转角开启不同个数的阵元。在疏通区域，动态孔径技术可以使声场的波束形状保持较好的形态。
附图说明
[0026]图1是超声动态孔径偏转聚焦去除管道内栓塞物的原理示意图。
[0027]图2是超声动态孔径偏转聚焦去除管道内栓塞物的装置框图。
[0028]图3是超声动态孔径偏转聚焦去除管道内栓塞物的流程图。
[0029]图4是超声导致声流在栓塞物上产生的剪切力随声束偏转角变化的示意图。
[0030]图5是超声疏通时的流体流动情况示意图，其中(a)(c)分别为无偏转和按一定偏转角偏转时的流体流场，(b)(d)则显示了两种情况下栓塞物上方流体的流速。
具体实施方式
[0031]下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置，其特征在于，包括超声主机和超声换能器阵列，所述超声换能器阵列用于将电信号转化为声信号，并依据所需要的偏转角和发射孔径，发射不同的超声场，所述超声主机用于控制去除管道内栓塞物所需的发射，并且实现相控角调整，进而实现管道内栓塞物的去除。2.根据权利要求1所述的相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置，其特征在于，所述超声主机包括超声发射电路和FPGA，所述FPGA和超声发射电路相连接，并与PC通过通信接口连接；所述超声发射电路与超声换能器阵列连接，在FPGA的控制下驱动超声换能器阵元发射超声波。3.根据权利要求2所述的相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置，其特征在于，所述FPGA用于负责与PC通信、控制超声发射；所述超声发射电路根据FPGA的控制指令，发射指定相位的超声信号。4.根据权利要求2或3所述的相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置，其特征在于，所述超声发射电路由多个并行的发射单元构成，每个发射单元驱动一个通道的换能器，用于满足去除管道内栓塞物时对较大功率发射的需要。5.根据权利要求1所述的相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置，其特征在于，所述超声换能器阵列呈线形形式，共N个阵元，每个阵元宽度为L，相邻阵元之间间隔为dL，发射时通过驱动信号相位的不同实现声束偏转。6.一种相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置的控制方法，其特征在于，首先根据测得的数据设置超声装置的超声发射参数，接着系统自动设置偏转角并计算对应的发射孔径，然后系统自动发射偏转聚焦超声进行疏通，最后经过设定的疏通时间后完成疏通。7.根据权利要求6所述的相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声装置的控制方法，其特征在于，首先设置声束偏转角，然后超声主机产生控制信号并驱动超声换能器阵列发...

【专利技术属性】
技术研发人员：屠娟，薛洪惠，章东，张琪，郭霞生，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：