ГОСТ Р МЭК 62127-2—2009
Приложение В
(справочное)
Поведение полимерных чувствительных датчиков из ПВДФ в ультразвуковых полях
высокой интенсивности
В.1 Общие положения
Ультразвуковые поля высокой интенсивности обычно применяют в ультразвуковых биологических и меди
цинских исследованиях. В настоящее время хорошо известно, что поля с высокими амплитудами давления приво
дят к нелинейным эффектам в среде распространения, сопровождающимся искажениями и образованием
гармонических составляющих в волновой форме сигнала (12)—(14). Для точных измерений параметров ультраз
вуковых полей наиболее подходят широкополосные калиброванные полимерные гидрофоны как зондового, так и
мембранного типа, частотные характеристики и характеристики направленности которых описаны в (15). Однако
информация о линейности отклика таких гидрофонов существенно ограничена.
Л
инейность крайне важна для
медицинских применений; современное медицинское диагностическое оборудование способно излучать поля с
амплитудой акустического давления порядка 10 МПа (16). Такие амплитуды лишь на порядок ниже тех. которые
присутствуют в фокальной области импульсов ударной волны аппаратов экстракорпоральной литотрипсии
(литотриптеров).
В дополнение к этому следует учесть, что линейность отклика гидрофона на давление важна и при реали
зации методов калибровки с использованием нелинейных искажений (17).
Рассмотренные ниже испытания были проведены для определения линейности ультразвуковых гидрофо
нов. сделанных на основе полимера ПВДФ (18).
В.2 Теоретические основы
Теория нелинейной акустики имеет множество ультразвуковых применений как в водной, так и в воздушной
средах (12). В последнее время ее стали применять в диапазоне частот, используемом для биомедицинской визу
ализации (13). (14).
Хорошо известно, что степень искажения ультразвуковой волны зависит от расстояния до источника (12).
Эта зависимость является критерием для определения степени искажения волновой формы, вызванного нели
нейностью распространения, т. е. нелинейностью дифференциальных уравнений, описывающих распростране
ние. и самой среды распространения (в данном случае воды). Тот же самый критерий дает возможность
отделить вышеупомянутые искажения от искажений волновой формы сигнала гидрофона, вызванных
нелинейностью его отклика на давление, или от возможных искажений, связанных с реакцией акустического
излучателя на напряже ние его возбуждения. Данный критерий был использован при описанных ниже
испытаниях, чтобы убедиться, что наблюдаемые нелинейные эффекты не связаны с возможной нелинейностью
функции электроакустического пре образования.
В.З Испытания
Все описанные в настоящем пункте измерения были проведены в дистиллированной дегазированной
воде при температуре (21.0
±
0.1)*С. В экспериментальной установке были использованы различные ультразву
ковые излучатели, работающие на частотах от 2.25 до 10 МГц. и гидрофоны как зондового. так и
мембранно го типов (15). (19). В дополнение к этому было применено оптоакустическое устройство,
способное генерировать ударные волны (20). (21). Если ультразвуковые излучатели могли генерировать
акустическое давле ние с амплитудами порядка 5.5 МПа (что соответствует пространственному пику пик-
временной интенсивности порядка 1000 Вт см’2), то оптоакустический источник генерировал ударные волны с
пиковыми значениями давле ния сжатия выше 10 МПа.
Оба источника и гидрофон были тщательно сориентированы друг относительно друга с помощью трехко
ординатного микроманипулятора. Сигнал с гидрофона поступал на анализатор спектра и отображался на его
экране для оценки содержания гармонических составляющих. Одновременно сигнал наблюдали по осциллогра
фу. с помощью которого фотографировали волновые формы сигналов при различных осевых расстояниях от
источника.
Перед каждым циклом измерений проверяли, что причиной искажений волны является нелинейность ее
распространения, а нелинейная зависимость акустического окна (излучающей поверхности) от напряжения воз
буждения источника искажений не вносит. Как отмечено выше, такая проверка была основана на том факте, что
искажения волны зависят от расстояния до источника, исостояла в том. что после записи форм импульса при раз
личных осевых расстояниях их анализировали. Эти измерения проводили как с зондовым гидрофоном, так и с
недемпфированным гидрофоном мембранного типа (15). (19).
Для определения линейности отклика гидрофона при увеличении акустического давления были примене
ны три различные процедуры.
23