【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术属于超声发射器校准领域。更确切地说，本专利技术涉及一种用于确定超声发射器的声功率的光学方法。
技术介绍
1、超声技术广泛地应用于各种科学领域，诸如化学、生物和工业。另外，超声可用于医学的诊断和治疗应用。在大多数这些应用中，重要的是知道超声发射器的声功率，以安全和有效地使用超声发射器。
2、例如，在治疗应用中，所施加的声功率的剂量对于治疗的成功是关键的。在诊断应用中，意外的高功率可能超过诊断过程的临床功率限制，而意外的低功率可能导致对比度降低。在这两种情况下，最好测量超声发射器的声功率，作为该设备的常规质量控制的部分。
3、确定超声发射器的发射场中的声功率的一种方法是利用水听器探测声场。水听器是可测量液体介质中的局部声压的小型压电传感器。超声发射器的声场的分布可通过在驱动超声发射器的同时利用水听器三维筛查液体介质来映射。然而，该过程不仅耗时，而且如果传感器遇到大声功率密度的区域，诸如在超声发射器的焦点上，也可能破坏传感器。另外，如果声波长在尺寸上与水听器相当或小于水听器，则测量的声压分布和实际的声压分布会不同。
4、可替代地，可利用辐射力平衡来精确地确定声功率，该辐射力平衡通过其对液体容器中的吸声体的影响来积分净辐射压力。遗憾的是，测量结果容易受到环境振动的影响，并且仅在某一最小声功率水平之上有效。另外，在高功率水平下，吸声体可膨胀，并因此具有随时间变化的浮力，从而限制可利用辐射力平衡测量的最大功率。
5、还已知介质中的声场可用所谓的“纹影(schlieren)”方法可视化
6、xu et al(“quantitative calibration of sound pressure in ultrasonicstanding waves using the schlieren method”,optics express,vol.25,no.17,2017)公开了一种用于在低声功率下校准高频超声驻波场的光学方法。该方法包括在水浴中引起声波的驻波，并用激光照射声波图案。作为声光效应的结果，光被相位调制，导致在设置在浴槽后面的透镜的傅立叶平面中的规则间隔的光条纹的衍射图案。测量衍射图案的光边缘的强度，并且基于光强度的相对大小，得出关于驻波的声功率引起光的相位调制的结论。
技术实现思路
1、然而，已知方法几乎不能在常规质量控制中实际实现，或者与不涵盖各种感兴趣情况的窄参数范围之外的技术缺点相关联。用水听器或辐射力平衡校准声功率的传统方法冗长且麻烦。另一方面，大多数光学方法需要技术人员设置校准和结果分析两者，并且通常仅可应用于某些声功率状态或用于特定的超声发射器配置，例如用于平面驻波。
2、鉴于这种现有技术，本专利技术的目的是提供一种改进的方法，用于通过简单步骤确定超声发射器的声功率，并且该方法还可应用于大声功率的方案，该方案可具有非线性变形的声(冲击)波，该波经常破坏水听器传感器，但是在实践中具有相关的应用，例如用于肾结石的体外冲击波治疗。
3、该目的通过根据独立权利要求的方法和系统来实现。从属权利要求涉及优选实施方式。
4、根据第一方面，本专利技术涉及一种用于确定超声发射器的声功率的方法。该方法包括将超声发射器联接至测试介质，并且驱动超声发射器以沿着声波传播方向在测试介质中引起声波，该声波引起测试介质的折射率的变化。该方法还包括：沿着与声波传播方向不同的光束方向，用准直光束选择性地照射测试介质的探索部分，使得准直光束与声波相交；以及使准直光束通过光学元件或光学组件，该光学元件或光学组件配置成将准直光束聚焦在焦平面中。该方法还包括：基于焦平面中的光强度分布的折射诱发宽度来确定超声发射器的声功率。
5、注意，在没有由于声波引起的折射率的任何变化的情况下，准直光束将聚焦在焦平面中的焦点上，并且光强度分布的宽度将为零或至少非常小。专利技术人认识到，通过测量光学元件或光学组件的焦平面中的光强度分布，可通过实验直接获取由于测试介质的折射率变化而产生的偏转角。由于声光效应，折射率变化的幅度取决于测试介质中的局部压力，因此可与超声发射器的声功率相关。具体地，本专利技术人发现，焦平面中的光强度分布有效地对应于探索部分中准直光束的偏转角上的积分，并且确定光强度分布的“扩展”或“宽度”可为测试介质中声功率的定量测量。
6、因此，本专利技术的方法涉及确定光强度分布的宽度，并从中推断声功率，这与现有技术中执行的衍射图案中各个条纹的亮度或相对强度的测量相反。
7、对光强度分布的宽度进行定量评估有多种方式。在实验中，专利技术人可确认，例如作为光强度分布的宽度的一种可能的定量评估，光强度分布的变化在相对宽的参数范围内线性地取决于超声发射器的声功率。然而，存在其它数学量，该其它数学量同样允许捕获由于由声功率以定量方式引起的折射率变化所引起的折射而引起的光强度分布在焦平面中的现象学“扩展”或“宽度”，并且本专利技术不限于其中的任何一个。表示焦平面中光强度分布的折射诱发宽度的量的其它可能的示例可从统计数学中获知，例如第二中心矩评估和离散和连续变量的许多类似过程，有时缩写为anova(方差和协方差的分析，analysis ofvariance and covariance)，例如在matlabtm工具箱中。另外，可在焦平面的图像的部分上，诸如焦平面的半平面或四分之一平面上(其中半平面和四分之一平面指例如相对于原点的左/右或上/下半平面，或围绕原点的象限)，取用于量化光强度分布的折射诱发宽度的任何数学量，例如方差。
8、另外，专利技术人的计算表明，声功率与宽度之间的数学关系，特别是光强度分布的变化，在实际相关的声功率状态下可令人惊奇地简单。
9、由于这种简单性，该方法可用于快速地利用实验以及数值上简单和稳健的过程来进行超声发射器的声功率的定量评估。
10、准直光束可直接产生，例如用激光器产生，或者可用点状光源和准直透镜的组合产生。点状光源可为单色的，诸如led和针孔的组合。
11、准直光束可通过透镜和/或孔的适当组合选择性地照射测试介质的预定探索部分。
12、在优选实施方式中，选择性地照射探索部分，使得当沿着准直光束的光束方向观察时，声波与准直光束的整个横截面重叠。
13、通过用准直光束选择性地照射测试介质，使得准直光束与测试介质的部分相互作用，其中折射率在整个横截面上由声波进行调制，可抑制通过测试介质而不受影响并且将在焦平面的中心产生明亮焦点的光。因此，焦平面可在不使图像传感器饱和的情况下进行成像，使得可直接评估光强度分布以确定声功率，例如，在不(例如，数字地)补偿焦点中的光强度或使用空间滤波器的情况下。
14、在优选实施方式中，选择性地照射测试介质的探索部分包括：阻挡准直光束的部分，特别地通过可调节孔口，优选通过具有矩形形状的可调节孔口。
15、优选地，可调节孔布置在光路本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于确定超声发射器(12)的声功率的方法，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其中，选择性地照射所述探索部分，使得当沿着所述准直光束(20)的所述光束方向(24)观察时，所述声波与所述准直光束(20)的整个横截面重叠。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，选择性地照射所述测试介质的所述探索部分包括：阻挡所述准直光束(19)的部分，特别地，用可调节孔口(22)阻挡所述准直光束(19)的所述部分，优选地，所述可调节孔口(22)具有矩形形状。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述准直光束(20)选择性地照射由所述超声发射器(12)在所述测试介质的所述探索部分中产生的、预定数量的声波极值，特别地，所述声波极值为整数数量的声波极值。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于所述焦平面(32)中的所述光强度分布相对于在没有所述声波的情况下所述光强度分布的中心和/或相对于所述焦平面(32)中的焦点的空间变化，确定所述声功率。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定所述光强度分布
7.根据权利要求6所述的方法，其中，确定所述偏差度量在数学上等同于针对所述焦平面(32)的所述图像的多个点，对归一化光强度值与所述选择坐标的平方值的乘积进行求和，具体地，根据以下等式：
8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其中，通过在所述超声发射器(12)关闭的情况下对所述焦平面(32)进行成像，以及在没有超声波的情况下在所述焦平面(32)的结果图像中确定所述光强度的加权平均值，确定所述焦平面(32)的中心。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的方法，其中，基于所述焦平面(32)中的所述光强度的加权平均值，确定所述焦平面(32)的所述中心。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述测试介质是液体，特别是透明液体，优选地是水或具有与水的阻抗类似的阻抗的另一种液体，以及所述方法包括：将所述超声发射器(12)安装在所述测试介质的容器(26)中，用于将所述超声发射器(12)联接至所述测试介质。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述超声发射器(12)的超声焦点(28)中确定所述声功率，以及所述方法包括：在所述测试介质中诱发所述超声焦点(28)，并且用所述准直光束(20)选择性地照射所述超声焦点(28)，特别是在所述超声焦点(28)的一阶最小值或二阶最小值之间。
12.一种用于确定超声发射器(12)的声功率的系统(10)，包括：
13.根据权利要求12所述的系统(10)，其中，所述成像组件包括二维图像传感器阵列(34)，特别是CCD传感器阵列，用于获得所述焦平面(32)的图像，其中，所述二维图像传感器阵列(34)优选地布置在所述焦平面(32)中。
14.根据权利要求12或13所述的系统(10)，其中，所述处理系统配置为通过基于所述焦平面(32)的图像的二维坐标系的选择坐标(u,v)的值确定偏差度量，以确定所述光强度分布的所述折射诱发宽度，其中，与所述选择坐标(u,v)相对应的坐标轴具体地与由所述超声发射器(12)发射的声波的传播方向对准或者基本上垂直于声波传播方向。
15.根据权利要求14所述的系统(10)，其中，确定所述偏差度量在数学上等同于针对所述焦平面(32)的所述图像的多个点，对归一化光强度值与所述选择坐标(u,v)的平方值的乘积进行求和，具体地，根据以下等式：
16.根据权利要求12至15中任一项所述的系统(10)，其中，所述处理系统配置为基于所述焦平面(32)的所述图像中的所述光强度的加权平均值，确定所述焦平面(32)的所述图像的中心。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的系统(10)，其中，所述处理系统配置为通过在所述超声发射器(12)关闭的情况下记录所述焦平面(32)的图像以及在没有超声波的情况下确定所述焦平面(32)的结果图像中的所述光强度的加权平均值，确定所述焦平面(32)的所述图像的中心。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的系统(10)，其中，所述孔口(22)是能够调节的，并且特别地是矩形的，其中，优选地，矩形孔口(22)的两个尺寸是能够单独调节的。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的系统(...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种用于确定超声发射器(12)的声功率的方法，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其中，选择性地照射所述探索部分，使得当沿着所述准直光束(20)的所述光束方向(24)观察时，所述声波与所述准直光束(20)的整个横截面重叠。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，选择性地照射所述测试介质的所述探索部分包括：阻挡所述准直光束(19)的部分，特别地，用可调节孔口(22)阻挡所述准直光束(19)的所述部分，优选地，所述可调节孔口(22)具有矩形形状。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述准直光束(20)选择性地照射由所述超声发射器(12)在所述测试介质的所述探索部分中产生的、预定数量的声波极值，特别地，所述声波极值为整数数量的声波极值。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于所述焦平面(32)中的所述光强度分布相对于在没有所述声波的情况下所述光强度分布的中心和/或相对于所述焦平面(32)中的焦点的空间变化，确定所述声功率。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定所述光强度分布的所述折射诱发宽度包括：基于所述焦平面(32)的图像的二维坐标系的选择坐标(u,v)的值来确定偏差度量，其中，与所述选择坐标(u,v)相对应的坐标轴具体地与所述超声发射器(12)发射的声波的传播方向对准，或者基本上垂直于所述声波传播方向。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，确定所述偏差度量在数学上等同于针对所述焦平面(32)的所述图像的多个点，对归一化光强度值与所述选择坐标的平方值的乘积进行求和，具体地，根据以下等式：
8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其中，通过在所述超声发射器(12)关闭的情况下对所述焦平面(32)进行成像，以及在没有超声波的情况下在所述焦平面(32)的结果图像中确定所述光强度的加权平均值，确定所述焦平面(32)的中心。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的方法，其中，基于所述焦平面(32)中的所述光强度的加权平均值，确定所述焦平面(32)的所述中心。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述测试介质是液体，特别是透明液体，优选地是水或具有与水的阻抗类似的阻抗的另一种液体，以及所述方法包括：将所述超声发射器(12)安装在所述测试介质的容器(26)中，用于将所述超声发射器(12)联接至所述测试介质。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述超声发射器(12)的超声焦点(28)中确定所述声功率，以及所述方法包括：在所述测试介质中诱发所述超声焦点(28)，并且用所述准直光束(20)选择性地照射所述超声焦点(28)，特别是在所述超声焦点(28)的一阶最小值或二阶最小值之间。
12.一种用于确定超声发射器(12)的声功率的系统(10)，包括：
13.根据权利要求12所述的系统(10)，其中，所述成像组件包括二维图像传感器阵列(34)，特别是ccd传感器阵列，用于获得所述焦平面(32)的图像，其中，所述二维图像传感器阵列(34)优选地布置在所述焦平面(3...
【专利技术属性】
技术研发人员：弗洛里安·施泰因迈尔，
申请(专利权)人：纽伦堡应用技术大学，
类型：发明
国别省市：
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