基于互易原理的中心开孔球面换能器自易校准方法研究

在临床上，HIFU治疗时需要同时进行超声成像的监控。为此，常用的中心开孔的球面换能器（球环换能器）可容纳成像探头，是超声消融治疗的关键部件之一。因此，其辐射声功率关系到治疗效果和人体安全，是需要严格控制的参数。

在声功率研究中，IEC推荐的首选方法是辐射力天平（RFB）法。然而，该方法仅适用于平面声功率的测量。直到1987年，Beissner得到了聚焦声场声功率和辐射力的关系。1998年，寿文德在Beissner研究的基础上得出了中心开孔的球面换能器的声功率计算公式。现在，该方法已有多个相关国家标准和国际标准。RFB法的优点是操作简单易推广，但其仅适用于测量一段时间内的平均声功率，对于HIFU治疗中可能会使用到的猝发音信号则表现得不够灵敏。此外，在测量过程中，吸收靶会将高强度的声能转化为自身的热能，影响测量的准确性。在长时间、大功率测量时甚至会出现永久性的热损伤和机械损伤。水听器法是另一种测量声功率的方法，可以在计算得到超声功率的同时获得声强、声压的声场分布信息，更多的声场参数意味着能够更全面的评价换能器的工作状态。然而，HIFU声场焦域处能量很高，极易造成水听器的损坏，因此在HIFU声功率测量领域应用较少。同时，上述方法都需要价格昂贵的专业测量设备和特定的测量环境。

为了实现采用更简单及精确的装置将测量误差降到最低，就必须研究换能器电声特性。自易校准法是1947年由Cartensen首创，长期应用于海洋声学中的换能器校准的一种绝对校准方法。随着声场理论的提高，自易校准技术被应用到平面活塞换能器和球面换能器中，既可以校准水听器也可以测量声功率等电声参数。在此基础上制定了球面换能器自易法的国际标准，并进一步应用于圆柱面聚焦换能器的声功率等电声参数的测量，证明了此方法的科学性。

本文主要在球面波声场互易原理基础上，系统研究了中心开孔的球面换能器的电声特性，给出了衍射修正系数和平均反射系数的计算方法和数据图表，从而实现了互易原理在中心开孔的球面换能器中的应用，拓展了换能器的自易校准理论。据此，建立了基于平面反射器的反射信号对中心开孔的球面换能器进行自易校准的方法。结果表明自易法相对于RFB法具有更好的稳定性，不易受环境影响，抗干扰更强，比RFB法更适合mW级的声功率测量。本方法可通过电压、电流值测得输出声功率、辐射电导、电声转换效率、自由场发送电流响应、自由场电压灵敏度等5个电声参数。使用一组换能器的实验结果验证了本文方法的可行性与有效性。