[发明专利]一种基于有限元模型法的HIFU声场检测系统

摘要

本发明涉及了一种基于有限元模型法的HIFU声场检测系统。本发明采用有限元模型法模拟实际HIFU换能器三维空间声场分布特性和声聚焦形态特征，得出其驱动电压和辐射声场声压之间的关系，采用高精度工业机械臂精准控制测量水听器在高强度聚焦声场的三维空间进行球面声场的快速扫测工作，球面规划运动路径弥补了相位不一致与声辐射角度偏差对声场测量的影响，本发明集成嵌入式运动控制和数据采集模块直接并与笔记本直接相连，最大精简化测量系统，运用高精度工业机械臂，精确扫描空间声场并反馈至有限元型进行优化处理，能够实现有限元模型精确模拟HIFU换能器辐射声场，为超声源的计量测试提供了一种可借鉴的方式。

主权项

1.一种基于有限元模型法的HIFU声场检测系统，该HIFU声场检测系统是基于有限元模型法结合工业机械臂集成嵌入式采集控制模块，其特征在于该系统具体包括以下两个步骤：步骤1：利用有限元软件下对医疗HIFU治疗换能器建模和辐射声场仿真，在不同的驱动电压激励情况下进行研究声场传播特性和聚焦形态,记录其驱动电压和辐射声压之间的关系；步骤2：用机械臂加载弧面规划运动轨迹控制测量水听器扫测HIFU三维空间声场，检测声场辐射参数信息，并将驱动电压和辐射声压之间的关系反馈于有限元模型并结合实际的声场环境，将有限元模型优化至与实际测量结果吻合；其中，所述步骤1具体为：根据HIFU治疗换能器设备特定的结构设计，在COMSOL有限元仿真软件建立换能器模型，根据其不同工作物理场，加载压力声学模块，压电模块，静电模块和固体力学模块等不同物理场进行多物理场耦合研究，加载不同驱动电压激励参数激励换能器辐射声场，在不同激励条件下研究其声场分布和聚焦特性，对其声场的声参数进行提取和研究，分别测量声场的轴向以及焦平面上径向声压分布，确定加载在换能器上的驱动电压值和对应的辐射声压值的关系。将其中，所述步骤2具体为：根据实际的HIFU换能器设备特定的声场环境和焦点位置形态，控制高精度工业机械臂，在其焦域选取1个球面规划路径进行测量且同时缩小测量面范围，首先通过嵌入式运动控制器控制机械臂运动，在笔记本中输入弧面规划路径的运动轨迹，使得机械臂在三维空间声场中进行高精度运动，耐高声强的光纤水听器扫测球面声压数据，球面规划路径能够确保测量水听器的工作端面能够与球面波声场的切线垂直，确保测得数据更加完整，弥补了声辐射角度补偿的问题。将运动控制和数据采集通讯问题高效精简化，能够同步在笔记本上进行声场数据的实时采集功能并显示声场数据成像结果并进行分析。根据实际的声场分布和焦域大小形态，对其有限元模型进行参数设置更改等优化，使其与实际HIFU换能器辐射声场吻合。利用实际聚焦换能器和模型一致的特点，实验确定声源表面，声源近场，焦域处的点声压值和声轴上的声压轴线数据与驱动电压的关系，并实时反馈与仿真模型并进行模型修正，使得模型与实验中的声压值和驱动电压之间的关系大致吻合。