Фокусируемые пьезоприемники для акустотермометрии

Рассмотрено новое направление в ранней медицинской диагностике – диагностика по пассивному функциональному изображению тела человека, полученному методом акустотермометрии. Метод состоит в регистрации собственного теплового акустического излучения тела с помощью пьезоприемников. Акустотермометр по...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2013
Hauptverfasser:	Найда, С.А., Дрозденко, Е.С.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2013
Schriftenreihe:	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
Schlagworte:	Научно-технический раздел
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101927
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Фокусируемые пьезоприемники для акустотермометрии/ С.А. Найда, Е.С. Дрозденко // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2013. — № 2. — С. 41-47. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101927
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1019272025-02-23T19:05:47Z Фокусируемые пьезоприемники для акустотермометрии Focused piezo receivers for acoustic thermometry Найда, С.А. Дрозденко, Е.С. Научно-технический раздел Рассмотрено новое направление в ранней медицинской диагностике – диагностика по пассивному функциональному изображению тела человека, полученному методом акустотермометрии. Метод состоит в регистрации собственного теплового акустического излучения тела с помощью пьезоприемников. Акустотермометр позволяет измерять не только поверхностную, но и глубинную температуру, что принципиально невыполнимо средствами радиометрии, инфракрасной техники и др. Метод акустотермометрии, кроме медицины, может применяться в таких областях как геофизика, океанология, техника. В настоящей работе на основе обоснованных моделей получены соотношения, позволяющие рассчитать оптимальные параметры акустотермометра. Использование в пьезоприемнике фокусировки теплового акустического излучения с помощью эллиптической линзы дает возможность измерять внутреннюю абсолютную температуру тела одноканальным и одночастотным акустотермометром, с пороговым значением точности измерения. The paper presents a new and urgent direction in early medical diagnostics – diagnostics by passive functional image of the human body, obtained by acoustic thermometry method. The method consists in recording the body thermal acoustic radiation by piezo receivers. Acoustic thermometer allows measurement not only of surface, but also in-depth temperature that cannot, in principle be performed by the means of radiometry, infrared engineering, etc. In addition to medicine, the acoustic thermometry method can be used in such fi elds as geophysics, oceanology and engineering. In this study substantiated models were used to derive relationships, allowing calculation of optimum parameters of acoustic thermometer. Application of focusing of thermal acoustic radiation in piezo receiver by an elliptical lens enables measurement of inner temperature of the body by single-channel and one-frequency acoustic thermometer with a threshold value of measurement accuracy. 2013 Article Фокусируемые пьезоприемники для акустотермометрии/ С.А. Найда, Е.С. Дрозденко // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2013. — № 2. — С. 41-47. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 0235-3474 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101927 534.134 ru Техническая диагностика и неразрушающий контроль application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Найда, С.А. Дрозденко, Е.С. Фокусируемые пьезоприемники для акустотермометрии Техническая диагностика и неразрушающий контроль
description	Рассмотрено новое направление в ранней медицинской диагностике – диагностика по пассивному функциональному изображению тела человека, полученному методом акустотермометрии. Метод состоит в регистрации собственного теплового акустического излучения тела с помощью пьезоприемников. Акустотермометр позволяет измерять не только поверхностную, но и глубинную температуру, что принципиально невыполнимо средствами радиометрии, инфракрасной техники и др. Метод акустотермометрии, кроме медицины, может применяться в таких областях как геофизика, океанология, техника. В настоящей работе на основе обоснованных моделей получены соотношения, позволяющие рассчитать оптимальные параметры акустотермометра. Использование в пьезоприемнике фокусировки теплового акустического излучения с помощью эллиптической линзы дает возможность измерять внутреннюю абсолютную температуру тела одноканальным и одночастотным акустотермометром, с пороговым значением точности измерения.
format	Article
author	Найда, С.А. Дрозденко, Е.С.
author_facet	Найда, С.А. Дрозденко, Е.С.
author_sort	Найда, С.А.
title	Фокусируемые пьезоприемники для акустотермометрии
title_short	Фокусируемые пьезоприемники для акустотермометрии
title_full	Фокусируемые пьезоприемники для акустотермометрии
title_fullStr	Фокусируемые пьезоприемники для акустотермометрии
title_full_unstemmed	Фокусируемые пьезоприемники для акустотермометрии
title_sort	фокусируемые пьезоприемники для акустотермометрии
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2013
topic_facet	Научно-технический раздел
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101927
citation_txt	Фокусируемые пьезоприемники для акустотермометрии/ С.А. Найда, Е.С. Дрозденко // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2013. — № 2. — С. 41-47. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.
series	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
work_keys_str_mv	AT najdasa fokusiruemyepʹezopriemnikidlâakustotermometrii AT drozdenkoes fokusiruemyepʹezopriemnikidlâakustotermometrii AT najdasa focusedpiezoreceiversforacousticthermometry AT drozdenkoes focusedpiezoreceiversforacousticthermometry
first_indexed	2025-11-24T14:28:32Z
last_indexed	2025-11-24T14:28:32Z
_version_	1849682309545984000
fulltext	41ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3, 2013 УДК 534.134 ФОКУСИРУЕМЫЕ ПЬЕЗОПРИЕМНИКИ ДЛЯ АКУСТОТЕРМОМЕТРИИ С.А. НАЙДА, Е.С. ДРОЗДЕНКО НТУУ «Киевский политехнический институт». 03056, г. Киев, пр-т Победы, 37. E-mail: fel@kpi.ua Рассмотрено новое направление в ранней медицинской диагностике – диагностика по пассивному функциональному изображению тела человека, полученному методом акустотермометрии. Метод состоит в регистрации собственного теплового акустического излучения тела с помощью пьезоприемников. Акустотермометр позволяет измерять не только поверхностную, но и глубинную температуру, что принципиально невыполнимо средствами радиометрии, инфракрасной техники и др. Метод акустотермометрии, кроме медицины, может применяться в таких областях как геофизика, океано- логия, техника. В настоящей работе на основе обоснованных моделей получены соотношения, позволяющие рассчитать оптимальные параметры акустотермометра. Использование в пьезоприемнике фокусировки теплового акустического излучения с помощью эллиптической линзы дает возможность измерять внутреннюю абсолютную температуру тела одноканальным и одночастотным акустотермометром, с пороговым значением точности измерения. Библиогр. 16, рис. 2. К л ю ч е в ы е с л о в а : акустотермометрия, тепловое акустическое излучение, пьезоэлектрический преобразователь, глубинная температура Акустотермометрия – это метод, позволяющий неинвазивно измерять внутреннюю температуру объекта, в частности, человеческого организма, посредством приема и регистрации теплового акустического излучения. Внутренняя температура тела является важ- ным параметром для диагностики и контроля. Согласно существующим представлениям, изме- нение температуры тканей обычно предшеству- ет изменениям на структурном уровне, которые могут быть обнаружены при общепринятых ме- тодах исследования – УЗИ, рентгене, пальпации [1]. Поэтому измерение внутренней температуры представляет интерес для ранней диагностики за- болеваний, позволяет делать выводы о состоянии и функционировании органов и систем, выявлять воспалительные процессы и контролировать реак- цию организма на различные воздействия, в част- ности, локальную гипертермию – способ лечения онкологических заболеваний, который заключает- ся в нагреве опухолевой ткани до определенной температуры [2]. Исследования в области акустотермометрии ве- дутся уже около 30 лет, однако на сегодня эффек- тивное решение задачи построения акустотермо- метра (АТ), имеющего требуемые характеристики по пространственному разрешению, чувствитель- ности и глубине зондирования, отсутствует [3]. Перспективы создания акустотермометров, пред- лагаемых ведущими научными группами из ИРЭ РАН, МГУ и ИПФ РАН, связывали с использова- нием большого количества антенн, осуществля- ющих электронное или механическое сканирова- ние объекта вдоль различных направлений либо на различных частотах. Результаты измерений предлагалось записывать в память компьютера, который осуществлял бы восстановление неиз- вестной температуры посредством решения об- ратной реконструктивной задачи акустотермоме- трии с использованием известной теоретической зависимости восстанавливаемой температуры от фактически измеряемых физических параметров [4]. Однако при проведении теоретических ис- следований и построении экспериментальных макетов авторами был допущен ряд неточно- стей, подробно рассмотренных в работах [5, 6]. Также следует отметить, что при установлении связи между термодинамической температурой и измеряемой мощностью теплового акустического шума использовали предположения о параметрах регистрирующих устройств, некоторые из кото- рых были недостаточно обоснованными [4]. Отсутствие АТ как завершенного прибора с требуемой для целей пассивной диагностики точностью определения глубинной температу- ры послужило стимулом для научных исследо- ваний на кафедре акустики и акустоэлектроники НТУУ «КПИ». В результате был разработан нулевой моду- ляционный метод регистрации слабых шумовых сигналов, проанализирована электрическая схема, с помощью которой он реализовался, сформули- рованы требования к отдельным ее блокам, позво- ляющие повысить точность измерений [7], была создана теория АТ для определения локальной температуры в улитке внутреннего уха и голов- ном мозге новорожденных с пространственным разрешением 1 мм, точностью не хуже 0,2 °С, по- стоянной времени 4 с и глубиной зондирования © С. А. Найда, Е. С. Дрозденко, 2013 42 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3, 2013 4 см [8]. Также в несколько этапов модифицирова- лась схема модуляционного АТ: было предложе- но использовать фокусируемую двояковогнутую эллиптическую линзу и пьезопреобразователь с четвертьволновыми согласующими слоями [5, 6], двухполупериодный амплитудный детектор [9], проведено теоретическое обоснование схемы фо- кусируемого АТ в сочетании с электронной ком- мутацией, позволяющей обойтись односпектраль- ным и однолучевым зондированием [10]. Целью настоящей работы является выбор оп- тимальной с точки зрения соотношения между коэффициентом передачи и входным электриче- ским импедансом конструкции фокусируемого пьезоприемника (ПП) для измерения внутренней температуры одноканальным одночастотным ме- тодом на основании сравнения нормированных амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) вы- шеуказанных параметров. Расчетные соотношения метода акустотер- мометрии. В качестве модели биологической ткани используем воду, которая имеет близкое значение акустического импеданса. Поскольку физической причиной как электромагнитного (радиочастотного), так и акустического тепловых излучений любой среды является хаотическое движение его атомов и молекул, выражение для спектральной плотности акустического излуче- ния безграничной среды аналогично выражению закона излучения Рэлея–Джинса, являющегося частным случаем закона излучения абсолютно черного тела Планка при hf << kT, а именно: ( ) 2 2 2 , ,á f k TdIf T df v π ε = = (1) где h=6,62·10-34 Дж/с – постоянная Планка; kб=1,38·10-23 Дж/К – постоянная Больцмана; f, v – частота и скорость акустических колебаний в сре- де; T – термодинамическая температура среды. Учитывая, что интенсивность акустических волн I = 2p /(v)= 2p /(z2), для квадрата акустиче- ского давления 2p тепловых акустических коле- баний в интервале f << f безграничной среды с температурой Т из (1) получаем: 2 2 4 ,á f k T f p v π ρ Δ = (2) где  – плотность; z2 = 1,54·106 Па·с/м – удельный акустический импеданс воды. Пусть датчиком давления, как и в работе[11], явля- ется круглая пьезоэлектрическая пластина с диаметром D>> ( – длина волны в воде) и с удельным импедан- сом Z0, нагруженная с тыльной стороны демпфером с удельным импедансом z1, а с передней – имеющая один или два четвертьволновых слоя с удельными импедансами (z3/z2) 2=z0/z2 или (z3/z4) 2=z0/z2 соответ- ственно, причем, электрической нагрузкой ПП яв- ляется индуктивность L≈1 / (0 2С0), 0 – частота его механического резонанса, а С0 – статическая емкость пьезопластины. Воспользовавшись представлением этой си- стемы в виде сложного электромеханического четырехполюсника, описываемого цепочечной А матрицей, для коэффициента преобразования дав- ления p в плоской волне, падающей нормально к поверхности ПП, получим выражение: ( ) ( )1/2 0 0 2 0 33/ / , ï K U p z z l e≡ = (3) где l0=vD/(2f0) – толщина пьезопластины; vD – ско- рость звука при постоянной индукции D; езз – пье- зоэлектрическая постоянная. Для наиболее распространенной пьезокерами- ки и воды (z0/z2) 1/2≈4,5. Видно, что слои действуют как трансформаторы давления, увеличивая Кп0. Кроме того, они расширяют полосу пропускания f даже в отсутствии демпфера (z1 = 0), так что в случае двух слоев f /f0 ≈ 0,6. При этом можно счи- тать, что Кп(f) ≈ Кп0 внутри полосы f и Кп(f) = 0 вне этой полосы. Учтем то принципиальное обстоятельство, что поле тепловых акустических колебаний является полем некогерентных источников: имеет равно- вероятную направленность и случайный характер фаз в пространстве. Наиболее распространенной моделью такого поля в гидроакустике являет- ся поле, в котором статистически независимые источники равной производительности равномер- но распределены по поверхности сферы в дальнем поле антенны (ПП) [12]. В рамках этой модели коэффициент преобразования давления тепловых колебаний [13]: 0 ,ï ø K K K = (4) где ( )22 04 / /K A D= π λ = π λ – коэффициент кон- центрации антенны; А0 – площадь ПП. Для использованного в работе [14] ПП с D = 20 мм, f0 = 2 МГц ( = 0,7 мм): Кш= Кп0/90, т.е. почти на два порядка меньше Кп0. С учетом (2) и (4) выражение для квадрата на- пряжения на электродах ПП, соответствующего тепловым акустическим колебаниям среды (объ- екта), имеет вид: 2 2 2 22 0 0 , î ø á î ï z U K p k T K fA= = Δ (5) т.е. представляет собой «белый» шум. Здесь f мо- жет быть порядка f0. На выходе ПП оно квадратич- но суммируется с напряжением его собственных 43ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3, 2013 тепловых шумов, которое, согласно теореме Най- квиста, равно: 2 4 , áïï ïï U Rk T f= Δ (6) где ( ) / â í f f R R f df f= Δ∫ – эквивалентное сопротив- ление шумов; R(f) – действительная часть элек- трического импеданса ПП с электрической на- грузкой; Тпп – температура ПП, f = fв – fн. Можно показать, что следствием комплексной теоремы взаимности ПП является соотношение: 0 1 2 ( ) 2 , ï RA K f Gz z≈ + (7) где G=1, G=(z2/z3) 2=z2/z0, G=(z4/z3) 2=z2/z0 для слу- чаев отсутствия, наличия одного или двух слоев соответственно; точное равенство выполняется на частоте f0. С учетом (7) отношение шумов среды и ПП равно: 2 2 1 2 / .1 / î î ïï ïï U T T Gz zU = + (8) Из этого выраженя видно, что при Тср≈Тпп, от- сутствии согласующих слоев (z3=z4=z2) и z1/z2>>1 для получения широкой полосы пропускания ПП необходимо, чтобы отношение было значительно меньше единицы. Поэтому для использования в акустотермометре этот случай не представляет интереса. При наличии же слоев и Gz1/z2=z1/z0<<1: 2 2 / 2 î ïï U U≈ . Из соотношения (5) можно определить темпе- ратуру однородной среды. В случае однородной среды с известной температурой Т0, в которой на глубине z имеется участок, нагретый относитель- но среды на температуру Т, измеряемая темпе- ратура равна Т=T0+Texp(-z/), и для определения z и Т необходимо двухчастотное зондирование на частотах f1 и f2, так что Т1= T0+Texp(–z/1), Т2 = T0+Texp(–z/2), где 1, 2 – длины затухания на этих частотах. Решая эту систему уравнений относительно Т и z, получим: ( ) ( ) ( )1 1 0 2 0 2 11 2/ ,T T T T T δ −δδ δ⎛ ⎞Δ = − −⎝ ⎠ 1 0 1 2 2 0 1 2 ln . T T z T T − δ δ⎡ ⎤ = ⎢ ⎥− δ − δ⎣ ⎦ (9) Рассмотрим случай ПП с фокусирующей лин- зой, который в [14] использовался только для демонстрации большого поперечного простран- ственного разрешения, но ранее не рассматривал- ся. Возьмем в качестве радиуса сферы, синфазно излучающей во всех направлениях и находящейся в фокусе линзы, радиус пространственной кор- реляции = /2. Учтя расхождение сферической волны и ее затухание с коэффициентом  = Af n (для биологической ткани n ≈ 1), в плоскости ПП получим сферическую волну с давлением: 2 2 2 ( ) exp( ) , î â í f f z p k T F AfF df F δ π ⋅ = −∫ (10) где F, Tо(F) – фокусное расстояние линзы и темпе- ратура среды в фокусе. Выражение для напряжения на электродах ПП имеет вид: 2 2 2 0 2 2 exp( ) exp( ) ,2 ô ï í â î U K p Af F Af F DU A fF F = = − − −⎧ ⎫π⎪ ⎪= ⎨ ⎬Δ⎪ ⎪⎩ ⎭ (11) где 2 î U определяется из (5) с заменой То на Tо(F). Если в,н<<1, выражение переходит в следующее: 2 2 2 .2ô î DU U F π⎧ ⎫= ⎨ ⎬ ⎩ ⎭ (12) Спектр напряжения представляет собой «бе- лый» шум. Взяв (D/F)max=2, получим 2 2 2 , ô î U U= ⋅ π т.е. интенсивность, обусловленная сфокусиро- ванным сигналом, почти в 10 раз больше, чем несфокусированным. Поскольку интенсивность собственных шумов ПП (6) от фокусировки не зависит, то отношение 2 2/ î ï.ï U U во столько же раз увеличится. Этот случай можно реализовать, если для измерения поверхностной температуры тела ПП с линзой расположить на расстоянии F от тела, а пространство между ними в виде сходя- щегося конуса заполнить водой, закрыв вершину конуса акустически прозрачным окном. В случае F ≈ 1 коэффициент при 2 î U в (11) все еще гораздо больше 1, т.е. имеем выигрыш и при определении глубинной температуры. Вторым важным преимуществом при этом является то, что для этого достаточно одночастотного зондирования. Что касается спектра напряжения в (11), то оно уже не является «белым» шумом. Однако опреде- ление из него температуры в фокусе Tо(F) с уче- том того, что (f) = Af n предполагается известным, не представляет труда. Особенностью акустотермометра биологиче- ских объектов является требование чувствитель- ности порядка 1К. Для измерения интенсивности шумовых сигналов с высокой чувствительностью в радиоастрономии используются цепи, состоя- щие из трех звеньев: полосового фильтра высокой частоты (ФВЧ); квадратичного детектора (КД) с нелинейной характеристикой у = х2 и фильтра 44 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3, 2013 нижних частот (ФНЧ). Считается, что x(t) явля- ется стационарным случайным процессом с ну- левым средним значением, т.е. x(t) = 0. Тогда ко- эффициент сглаживания флуктуаций Q, равный отношению относительной флуктуации y σ /у= 2 на выходе детектора к относительной флуктуации î T ξ σ ξ = θ (при 2 î U >> 2 ïï U ) на выходе ФНЧ будет: / / ,/ y y Q ξ σ ≡ = Δω ΔΩσ ξ (13) где у =  2x , 2 y σ =22 2x , σу,σξ, θ – среднеквадра- тичные отклонения величин у, , То от их среднего значения. Отсюда следует, что 2 , î T ΔΩ θ = Δω (14) где ω– полоса ФВЧ, центрированная около ω0;    – полоса ФНЧ. Это предельное значение чувствительности, которое достигается только тогда, когда относи- тельная чувствительность выходного прибора не хуже θ/То. Для этого на измерительный прибор можно подать встречное постоянное напряжение 0. Однако стабильность показаний прибора на- рушается медленными уходами усиления (дрейф нуля). От их влияния избавляет модуляционный метод измерения. В работе [11] использовалась механическая мо- дуляция для нефокусируемого ПП: периодическое с частотой 10 Гц переключение излучения от объ- екта на излучение из воды, находящейся между ПП и модулятором. При этом на вход ФВЧ (ПП и УВЧ) поступает случайный процесс: ( ) ( ) ( ) ïï î U t U t U t Σ = + в течение времени 0 < < t </; ) ïï â ( U t U t U t Σ = ( ) + ( ) в течение времени / < t <2/. Поскольку ïï î â ( ), ( ), ( )U t U t U t – независи- мые случайные процессы, они попарно квадра- тично суммируются, так, что среднеквадратичное напряжение можно представить в виде: 2 2 2 2 2( ) ( ) ïï â î â U U U t U U Σ = + + μ ⋅ − , (15) где (t) = 1 при 0 < t </ и (t) =0 при / < t <2/, а изменяющаяся с частотой  часть 2 2 2 2 î â ïï â U U U U− << + . Метод четырехполюсника для нахождения частотных характеристик основных параме- тров ПП. При анализе пьезопреобразователей во многих случаях удобным является использование эквивалентных схем, составленных на основе электромеханических аналогий (электрическое напряжение – сила и электрический ток – коле- бательная скорость). Полученные таким образом схемы рассчитывают с помощью теории электри- ческих цепей. Отметим, что метод электромеха- нических аналогий дает возможность на основе простых аналитических соотношений определить электрические и акустические параметры пьезо- преобразователя вблизи его резонансных частот, но не позволяет построить их АЧХ, что часто не- обходимо при проведении инженерных расчетов. Для получения АЧХ пьезопреобразователь, представляющий собой в общем случае систему, состоящую из пьезоэлемента, переходных сло- ев и демпфирующей среды, рассматривают как эквивалентный электромеханический четырех- полюсник с акустическим входом (или выходом) и электрическим выходом (или входом). Также в качестве эквивалентных четырехполюсников рас- сматривают каждый из вышеуказанных элементов системы. Известно, что для любого четырехполюсника справедливо следующее уравнение: 1 2 11 12 2 1 2 21 22 2 ,mn X X A A X A Y Y A A Y = × = × где X1, Y1 – входные процессы (воздействия); Amn – коэффициенты четырехполюсника, X2,Y2 – выход- ные процессы (отклики). В записанном выражении наибольший интерес представляют коэффициенты четырехполюсника Amn, поскольку с их помощью могут быть получе- ны АЧХ основных параметров пьезопреобразова- теля, в частности, входного электрического импе- данса и передаточной функции. Рассмотрим ПП (рис. 1) с индуктивностью L в качестве электрической нагрузки. Как известно [15], индуктивность подключается параллельно пьезопреобразователю, компенсирует на частоте антирезонанса ω0 электрическую емкость зажа- той пьезопластины C0, применяется для расшире- ния рабочего частотного диапазона и повышения чувствительности пьезоприемника на частотах ω, отличающихся от антирезонансной. ПП механи- Рис. 1. ПП с согласующим слоем и акустической линзой, на- груженный индуктивностью 45ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3, 2013 чески недемпфирован, акустический контакт пье- зоэлемента с рабочей средой (удельное акустиче- ское сопротивление которой z2) осуществляется через два переходных слоя (удельные акустиче- ские сопротивления соответственно z3 и z4). На основании соотношений, приведенных в [15, 16], получим расчетные соотношения и по- строим нормированные АЧХ активной состав- ляющей входного электрического импеданса и передаточной функции с помощью метода четы- рехполюсников для различных конструкций фо- кусируемых ПП. Проанализировав полученные результаты, выберем конструкцию для измерения внутренней температуры одноканальным одноча- стотным методом. Полный входной электрический импеданс ПП определяется выражением [15]: (4)* (4)* 11 0 2 12 (4)* (4)* 21 0 2 22 , âõ A A z A Z A A z A + = + (16) где (4)* mnA , 1, 2m = , 1, 2n = – коэффициенты экви- валентного четырехполюсника; 0A – площадь ак- тивной поверхности пьезопластины. В свою очередь (4)* (4)* 11 12(4)* (4) (4)* (4)* 21 22 ,ýëZ mn mn mn A A A A A A A = = (17) где ýëZ mnA – матрица преобразования для электри- ческой нагрузки; (4) mnA – матрица преобразования для системы пьезоэлемент–два согласующих слоя. Следует отметить, что все последующие вы- кладки будут проведены в предположении, что амплитуды колебаний равномерно распределены по активной поверхности преобразователя. Такое допущение возможно тогда, когда геометрические размеры активной поверхности намного больше толщины пластины. Если в качестве электрической нагрузки при- меняют катушку индуктивности, коэффициенты ýëZ mnA будут равны [16]: 2 11 12 21 0 0 221; 0; / ; 1.ýë ýë ýë ýëZ Z Z ZA A A C j A= = = ω ω = Матрица преобразования для системы пьезоэ- лемент–два согласующих слоя определяется сле- дующим образом: (4) (4) 11 12(4) (4) (4) (4) 21 22 mn mn mn A A A A S A A = = , (18) где mnA – матрица преобразования для пьезоэ- лемента; (4) mnS – матрица преобразования для си- стемы двух согласующих слоев. Элементы матрицы (4) mnS равны: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (4) 11 3 4 3 4 3 4 (4) 12 0 4 3 4 3 4 3 4 cos 2 cos 2 / sin 2 sin 2 , cos 2 sin 2 / sin 2 cos 2 , S n x n x z z n x n x S jA z n x n x z z n x n x = π π − − π π ⎡= π π +⎣ ⎤+ π π ⎦ (19) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (4) 21 0 4 4 3 3 4 4 4 (4) 22 3 4 4 3 3 4 / / sin 2 cos 2 sin 2 cos 2 , cos 2 cos 2 / sin 2 sin 2 , S j A z z z n x n x n x n x S n x n x z z n x n x ⎡= π π +⎣ ⎤+ π π ⎦ = π π − − π π где x = ω/ω0– относительная частота; ni=lk/λ0k (i =3,4; lk – толщина k-го слоя; λ0k– длина волны в k-м слое на частоте антирезонанса). Для механически недемпфированного ПП с учетом того, что механические потери в пьезопла- стине намного меньше потерь в креплениях эле- менты матрицы mnA равны: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 33 33 11 33 0 0 0 33 33 33 0 0 12 33 0 33 33 21 33 33 0 0 22 33 ctg( ) , / 2 tg / 2 2 , / 2 ctg( ) , tg / 2 , / 2 e x A A z tg x C e x je j A z A C e tg x x A je x A z A e tg x π ε = − ωε π π ε = −ωε π π ε ω = π ε ω = π (20) где ε33– относительная диэлектрическая проница- емость зажатой пьезопластины. Подставив выражения (19) и (20) в (18), полу- чим значения коэффициентов (4) mnA . Перемножив матрицы в (17), получим частотнозависимые ко- эффициенты (4)* mnA , необходимые для нахождения Zвх. Нормированная частотная характеристика пол- ного входного электрического импеданса носит комплексный характер и может быть представле- на в виде [16]: 0 0 0 ( ) / ( ) / ( ) / , âõ a eC C CZ x X R x X jX x X= + (21) где 0 00 1/ ;CX C= ω 0 0 ( ) / Re ( ) / âõa C CR x X Z x X⎡ ⎤= ⎢ ⎥⎣ ⎦ ; 0 0 ( ) / Im ( ) / å âõC CX x X Z x X⎡ ⎤= ⎢ ⎥⎣ ⎦ . Для более простых случаев с одним согласую- щим слоем или без слоев нормированная частот- ная характеристика может быть получена из выра- 46 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3, 2013 жения (21) заменой 4z на 2z ( 4 0n = ) и 3z и 4z на 2z ( 3 0n = и 4 0n = ) соответственно. Передаточная функция ПП определяется выра- жением [15]: (4)* (4)*22 2 21 0 2 Ï K A z AA = + . (22) Для выбора наиболее подходящей конструкции ПП, позволяющего измерять внутреннюю темпе- ратуру одноканальным одночастотным методом, были рассмотрены следующие варианты: пьезопластина из пьезокерамики PZT-8, чет- вертьволновой согласующий слой из полистирола (z3=2,48·106 Па·с/м) и биоткань в качестве рабочей среды; пьезопластина из пьезокерамики PZT-8, чет- вертьволновой согласующий слой из эпоксидно- го клея (n3=0,25; z3=3·106 Па·с/м), четвертьволно- вой согласующий слой из полистирола (n4=0,25; z4= 2,48·106 Па·с/м) и биоткань в качестве рабочей среды; пьезопластина из пьезокерамики PZT-8, чет- вертьволновой идеальный согласующий слой 3 0 4( )z z z= , четвертьволновой согласующий слой из полистирола и биоткань в качестве рабочей среды. На основании выражений (16)–(22) для каждо- го случая были построены графики нормирован- ных АЧХ активной составляющей входного элек- трического импеданса и передаточной функции. Нормирование последней проводилось относи- тельно коэффициента Kп0. Полученные результаты представлены на рис. 2. Из рис. 2 видно, что оптимальной с точки зре- ния соотношения между коэффициентом пере- дачи и входным электрическим импедансом яв- ляется конструкция, приведенная на рис. 2, б, д, состоящая из пьезопластины – четвертьволнового согласующего слоя из эпоксидного клея – чет- вертьволнового согласующего слоя из полисти- рола (его функцию выполняет центральная часть акустической линзы) – биоткани. Из рассмотрения различных способов фоку- сировки следует, что наибольшее значение D/2F получается с двояковогнутой линзой, для которой: 1 22 1 D n F n − = + , (23) где n = cв/сл, св=1,5·103 м/с; сл – скорость звука в воде и линзе соответственно; F- фокусное рассто- яние линзы. В случае линзы из оргстекла (сл=2,7·103 м/с, n = 0,56): (D/2F)2 ≤ 12, а линзы из полистирола (сл= 2,37·103 м/с, n = 0,63): (D/2F)2 ≤ 9, т.е. на 25% меньше, чем для линзы из оргстекла. Существен- но также, чтобы линза была безаберрационной, т.е. эллиптической. Из (23) видно, что с увеличением F необходи- мо пропорционально увеличивать D. Однако при этом, согласно (4) – (6) , будет уменьшаться 2 ïï U и условие 2 2 óñ <<U U Σ может перестать выполняться. В этом случае необходимо, насколько возможно, увеличить отношение l0/e33. Поскольку l0f0=Nt – ча- стотному коэффициенту для колебаний по толщи- не, l0 однозначно связано с частотой f0, которую из соображений проникновения УЗ в тело человека на глубину зондирования без заметного затухания целесообразно выбрать равной 1 МГц. Таким об- Рис. 2. Нормированные АЧХ активной составляющей входного электрического импеданса (а–в) и передаточной функции пье- зоприемника (г–е) для конструкций: а, г – пьезопластина–четвертьволновой согласующий слой–биоткань; б, д – пьезопла- стина–два четвертьволновых согласующих слоя–биоткань; в, е – пьезопластина–идеальный четвертьволновой согласующий слой–четвертьволновой согласующий слой–биоткань 47ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3, 2013 разом, из имеющихся пьезокерамических матери- алов следует выбирать пьезокерамику с наимень- шим значением e33. В работе использовался ПП с D = 28 мм, F = 14 мм, l0 = 2,6 мм из пьезокерамики PZT-8 (e33 = 13,2 Кл/м2, z0 = 35·106 Па·с/м), R = 550 Ом. Для f = 0,5 МГц: 2 1/2( ) 8,1U Σ ≅ мкВ. Выводы На основе расчета частотных характеристик ПП установлено, что конструкция ПП акустотер- мометра должна содержать пластину из пьезоке- рамики с наименьшим значением e33, четвертьвол- новой согласующий слой и акустическую линзу. При этом ПП должен иметь воздушную тыльную нагрузку и быть электрически нагруженным па- раллельно подключенной индуктивностью. Применение фокусировки теплового акустиче- ского излучения с помощью акустической линзы позволяет: – измерять и сканировать глубинную темпера- туру тела человека одноканальным, одночастот- ным акустотермометром; – в отличие от многочастотного метода, пред- лагаемого другими авторами, рабочую частоту акустотермометра можно выбирать низкую (около 1 МГц), что обеспечивает большую глубину про- никновения в ткани; – получить пороговое значение точности изме- рения глубинной температуры объекта; – вместе с модифицированной схемой нулевого модуляционного метода [5] создать действующий макет акустотермометра. 1. Гусманов В. А., Переверзев Б. М., Никитин А. В. Осно- вы диагностики заболеваний внутренних органов. – Ро- стов-на-Дону: МарТ, 2003. – 352 с. 2. Ставицкий Р. В., Лебедев Л. А., Паньшин Г. А. Неинва- зивный динамический контроль в процессе лечения он- кологических заболеваний // Медицинская техника. – 2009. – № 1. – С. 19–21. 3. Мансфельд А. Д. Акустотермометрия. Состояние и пер- спективы // Акустический журнал. – 2009. – 55, № 4–5. – С. 546–556. 4. Субочев П. В. Развитие методов пассивной акустической термотомографии и акустояркостного мониторинга: Ав- тореф. дис. … канд. физ.-мат. наук. – Нижний Новгород: Институт радиотехники и электроники РАН, 2009. – 18 с. 5. Найда С. А. Акустотермометрия жидких объектов с по- мощью пьезоприемников мегагерцевого диапазона // Техн. диагностика и неразруш. контроль. – 2002. – № 3. – С. 41–48. 6. Найда С. А. Пьезоприемники теплового акустического излучения для зондирования внутренней температуры объектов // Там же. – 2003. – № 1. – С. 25–29. 7. Дидковский В. С., Найда С. А. Нулевой модуляционный метод измерения теплового акустического излучения биологических объектов // Электроника и связь. – 2000. – 2, № 8. – С. 253–256. 8. Найда С. А. О возможности одноканальной динамиче- ской пассивной акустотермометрии головного мозга и улитки внутреннего уха новорожденных с помощью фо- кусированного ультразвука // Там же. – 2003. – № 18. – С. 9–10. 9. Дрозденко Е. С., Найда С. А. О влиянии детектирования шума на точность измерения температуры акустотермо- метром // Там же. – 2009. – № 6. – С. 62–67. 10. Найда С. А., Дрозденко Е. С. Теоретическое обоснование фокусируемого одночастотного динамического акусто- термометра // Там же. Тематический выпуск «Электро- ника и нанотехнологии». – 2010 – № 2. – С. 234–236. 11. Гуляев Ю. В., Годик Э. Э. Дементиенко В. В., Пасечник В. И., Рубцов А. А. О возможностях акустической термо- графии биологических объектов // Доклады АН СССР. – 1985. – 183, № 6. – С. 1495–1499. 12. Смарышев М. Д. Направленность гидроакустических антенн. – Л.: Судостроение, 1973. – 278 с. 13. Справочник по гидроакустике / А.П.Евтютов, А.Е.Колес- ников, А.П.Ляликов и др. – Л.: Судостроение, 1982. – 344 с. 14. Пасечник В. И. Акустическая термография биологиче- ских объектов // Радиотехника. – 1991. – № 8. – С. 77–80. 15. Домаркас В. И., Кажис Р.-И. Ю. Контрольно-измери- тельные пьезоэлектрические преобразователи. – Виль- нюс: Минтис, 1974. – 258с. 16. Дідковський В. С., Найда С. А. П’єзоелектричні перетво- рювачі медичних ультразвукових сканерів: Навч. посіб- ник. – Київ: НТУУ «КПІ», 1999. – 179 с. The paper presents a new and urgent direction in early medical diagnostics – diagnostics by passive functional image of the human body, obtained by acoustic thermometry method. The method consists in recording the body thermal acoustic radiation by piezo receivers. Acoustic thermometer allows measurement not only of surface, but also in-depth temperature that cannot, in principle be performed by the means of radiometry, infrared engineering, etc. In addition to medicine, the acoustic thermometry method can be used in such fi elds as geophysics, oceanology and engineering. In this study substantiated models were used to derive relationships, allowing calculation of optimum parameters of acoustic thermometer. Application of focusing of thermal acoustic radiation in piezo receiver by an elliptical lens enables measurement of inner temperature of the body by single-channel and one-frequency acoustic thermometer with a threshold value of measurement accuracy. K e y w o r d s : acoustic thermometry, in-depth temperature, single-channel one-frequency method Поступила в редакцию 02.04.2013

Фокусируемые пьезоприемники для акустотермометрии

Institution

Ähnliche Einträge