【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种高强度声场分布表征装置，具体涉及一种基于非线性光声效应的高强度声场分布表征装置及实现方法。
技术介绍
1、通过换能器激发出的高强度声场，在基础研究和应用研究上有着重要价值。例如，高强度声场在介质中的非线性效应，有助于加深对物质属性的理解；与之伴随的空化效应，因为在微小空间，极短时间空化泡的崩塌产生瞬间，局域的高温高压，在声化学研究领域也受到极大重视；另一方面，高强度声场在工业超声清洗、刻蚀、焊接等应用领域也大显神威。尤其是在生物医学领域的应用，例如，高强度聚焦超声用于粉碎内脏中的结石；其在身体产生的高温，高压，巨大的声辐射力可以瞬间导致细胞的坏死，从而在免于外科手术的前提下，杀死肿瘤。
2、为了合理使用高强度声场，长期以来声场分布一直是一个研究热点。高强度声场不同于线性声场，常可以通过水听器、小球反射法和光声法来进行测量。高强度声场因为其巨大的声辐射力，明显的非线性效应，直接测量的常规手段受到挑战无法实现。现阶段往往都是间接测量手段。其中，因为高强度声场带来介质温度的升高，温度场的分布可以有效地间接反映声场分布。常用的温度测量手段包括使用热电偶来直接测量温度，红外热成像技术对介质温度直接成像，温度敏感的功能磁共振成像技术，和温度依赖的超声层析成像技术等。
3、以上温度测量技术，都有各自的局限。热电偶测温技术单点温度测量精度高，但是无法进行多点测量，且探测器的植入本身又会引起声场变化；热成像技术不能对深层介质内温度的空间分布做精确测量；磁共振成像技术价格高昂，且测量过程不能有铁磁性材料的存
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术旨在提供一种利用光声非线性效应来实现温度分布成像的基于非线性光声效应的高强度声场分布表征装置，通过对温度的成像来间接反映高强度声场的三维空间分布；本专利技术的另一目的在于提供一种基于所述装置进行高强度声场分布表征的方法。
2、技术方案：本专利技术所述的整个装置分为三大部分，分别是高强度声场发生系统，光声层析成像系统和温度控制系统。
3、高强度声场发生系统包括依次相连的水浸压电陶瓷换能器，功率放大器和信号发生器。信号发生器产生的微弱电信号，经过功率放大器之后被放大。考虑到压电换能器是一个容性电器件，为了最大化提高换能器的转换效率，在换能器和功率放大器之间还可以匹配一个电阻抗匹配电路。
4、光声层析成像系统包括脉冲激光器，阵列超声探测器，前置放大器，多通道数据采集系统和数据存储和处理系统。所述脉冲激光器发射激光通过空间光或者光纤束的形式照射到样品上，样品产生光声波，经介质传播到阵列超声探测器上后被前置放大器进一步放大后送入多通道数据采集系统内经数字化采集，最后把采集的数据存储到数据存储和处理系统中，并根据光声层析算法进行图像的重构。
5、进一步地，所述激光为纳秒级脉冲激光。
6、进一步地，所述高强度声场发射系统，脉冲激光器和多通道数据采集系统之间的工作时间由延迟触发器控制。
7、进一步地，所述驱动高强度声场发射系统的信号为连续正弦波或有线长度脉冲波。
8、进一步地，信号采集系统可以使用阵列超声换能器来探测超声，结合多通道数据采集系统来实现光声层析成像；也可以使用单阵元换能器来进行数据采集，单通道数据采集卡进行数据采集，最终以扫描成像的方式来实现光声成像。
9、进一步地，高强度超声一般可以由自聚焦超声换能器来实现，也可以由阵列超声换能器电子聚焦产生。
10、本专利技术基于上述装置进行高强度声场分布表征的实现方法如下：
11、(1)控制样品温度为t0，在没有被高强度声场辐射的情况下，启动光声层析成像系统对样品进行光声成像，得到光声图像
12、(2)改变样品的温度，得到相应的光声图像s(x,y,z,t)，通过拟合计算，可以建立s(x,y,z,t)与t之间的映射关系。
13、(3)控制样品的温度为室温，使用延迟触发器触发高强度声波发射系统对样品辐射高强度超声，一定时间δτ延迟后，延迟触发器对激光器和多通道数据采集系统进行触发，得到光声图像s(x,y,z,tn)。
14、(4)依据步骤(2)建立的s(x,y,z,t)与t之间的关系，可以推断出空间位置(x,y,z)点的温度t。从而得到高强度声波导致空间温度升高量δt(x,y,z)，间接反映出高强度声场的空间分布
15、综上，本专利技术基于光声效应与温度之间的依赖关系，可以在样品较深范围内(一般可以达到5厘米以上)，实现样品温度分布的精确测量，通过样品的温度分布间接探测出高强度声场的空间分布情况。
16、专利技术原理：光声效应是利用激光来照射样品，样品因为吸收光能产生热，进而引起热膨胀，最终产生声波的过程。在一定特征尺度内，光声效应产生的光声压p0可以用如下公式表示：
17、p0＝γηthμaf (1)
18、其中，γ,ηth,μa,f分别表示格律奈森系数(gruneisen coefficient)，光热转换效率，光吸收系数和辐照的光通量(j/cm2)。在一定温度范围内，以上中间的两个物理量不会随着温度的变化而改变，唯独格律奈森系数与温度有着明显的变化。考虑到温度的不同，相同辐照光通量下激发的光声压也会不同，可以写成温度的函数：
19、p(t)＝γ(t)ηthμaf (2)
20、本专利技术利用以上所述的非线性光声效应，结合光声层析成像技术，提出了非线性光声效应的高强度声场成像技术。本专利技术利用光声效应来实现瞬态温度场空间分布的测量，其中，高强度声场在介质中传播，因为明显的非线性效应会导致较大的衰减，衰减产生的温度升高温升变化可以间接反映声场的分布。
21、有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下显著优点：所述装置利用光声成像系统，结合温度依赖的光声非线性效应，可以有效实现大深度，高分辨率的温度分布成像，得益于光声成像纳秒级脉冲激光照射，可以实现瞬态温度场的捕捉。
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1.一种基于非线性光声效应的高强度声场分布表征装置，其特征在于，该装置包括高强度声场发射系统，光声层析成像系统和温度控制系统(1)；所述高强度声场发射系统包括依次相连的水浸压电陶瓷换能器(5)，功率放大器(12)和信号发生器(13)；所述光声层析成像系统包括脉冲激光器(10)，阵列超声探测器(2)，前置放大器(9)，多通道数据采集系统(7)和数据存储和处理系统(8)，所述脉冲激光器(10)发射脉冲激光照射到浸于介质中的样品上，样品产生光声波，经介质传播到阵列超声探测器(2)上后被前置放大器(9)进一步放大后送入多通道数据采集系统(7)内经数字化采集，最后对采集的数据进行存储，并根据光声层析算法进行图像的重构。
2.根据权利要求1所述的基于非线性光声效应的高强度声场分布表征装置，其特征在于，该装置利用光声效应的非线性来实现瞬态温度场空间分布的测量，根据温升变化间接反映声场的分布。
3.根据权利要求1所述的基于非线性光声效应的高强度声场分布表征装置，其特征在于，所述高强度声场发射系统，脉冲激光器(10)和多通道数据采集系统(7)的工作时间由延迟触发器(11)控
4.根据权利要求1所述的基于非线性光声效应的高强度声场分布表征装置，其特征在于，所述水浸压电陶瓷换能器(5)和功率放大器(12)之间还设有电阻抗匹配电路(6)。
5.根据权利要求1所述的基于非线性光声效应的高强度声场分布表征装置，其特征在于，所述激光为纳秒级脉冲激光。
6.根据权利要求1所述的基于非线性光声效应的高强度声场分布表征装置，其特征在于，驱动高强度声场发射系统的信号为连续正弦波或有线长度脉冲波。
7.根据权利要求1所述的基于非线性光声效应的高强度声场分布表征装置，其特征在于，多通道超声采集系统(7)为Verasonics系统，数据在被Verasonics系统采集之前经过前置放大器(9)放大。
8.根据权利要求1所述的基于非线性光声效应的高强度声场分布表征装置，其特征在于，高强度超声由自聚焦超声换能器或阵列超声换能器电子聚焦产生。
9.根据权利要求1所述的基于非线性光声效应的高强度声场分布表征装置，其特征在于，该装置能在样品≥5厘米深度范围内实现样品温度分布的精确测量，通过样品的温度分布间接探测出高强度声场的空间分布情况。
10.一种基于权利要求1-9任一所述装置进行高强度声场分布表征的方法，其特征在于，步骤如下：
...【技术特征摘要】
1.一种基于非线性光声效应的高强度声场分布表征装置，其特征在于，该装置包括高强度声场发射系统，光声层析成像系统和温度控制系统(1)；所述高强度声场发射系统包括依次相连的水浸压电陶瓷换能器(5)，功率放大器(12)和信号发生器(13)；所述光声层析成像系统包括脉冲激光器(10)，阵列超声探测器(2)，前置放大器(9)，多通道数据采集系统(7)和数据存储和处理系统(8)，所述脉冲激光器(10)发射脉冲激光照射到浸于介质中的样品上，样品产生光声波，经介质传播到阵列超声探测器(2)上后被前置放大器(9)进一步放大后送入多通道数据采集系统(7)内经数字化采集，最后对采集的数据进行存储，并根据光声层析算法进行图像的重构。
2.根据权利要求1所述的基于非线性光声效应的高强度声场分布表征装置，其特征在于，该装置利用光声效应的非线性来实现瞬态温度场空间分布的测量，根据温升变化间接反映声场的分布。
3.根据权利要求1所述的基于非线性光声效应的高强度声场分布表征装置，其特征在于，所述高强度声场发射系统，脉冲激光器(10)和多通道数据采集系统(7)的工作时间由延迟触发器(11)控制。
4.根据权利要求1所述的基于非线性光声效应的高强度...
【专利技术属性】
技术研发人员：卢明辉，闫思成，鲁强兵，颜学俊，张文清，陈延峰，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：
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