一種提高水聽器線性度的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高水聽器線性度的方法及裝置，所述裝置包括水聽器、可變增益放大器、數(shù)據(jù)采集器、計算裝置以及可編程控制器；本發(fā)明的方法是將水聽器的輸出信號通過可變增益放大器放大，經(jīng)數(shù)據(jù)采集器換算成聲壓值輸入計算裝置，計算裝置根據(jù)接收的聲壓值得到水聽器的頻響曲線，進而計算出所述可變增益放大器的放大頻響曲線，可編程控制器監(jiān)測該放大頻響曲線信號頻率，并向可變增益放大器輸出控制信號控制可變增益放大器的放大系數(shù)，使可變增益放大器輸出端的輸出信號在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)輸出幅度基本不變。本發(fā)明能夠以很小的頻率間隔控制放大器的放大系數(shù)，使放大器輸出信號在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)輸出幅度變化很小，從而提高水聽器線性度。
【專利說明】一種提高水聽器線性度的方法及裝置
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明涉及一種超聲設(shè)備檢測用高頻超聲水聽器，用于測量超聲頻率大于500KHZ的超聲信號，屬于醫(yī)用超聲·檢測設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，醫(yī)用超聲是超聲學(xué)在醫(yī)療中的應(yīng)用，根據(jù)其工作原理及特性，主要的應(yīng)用分為兩大類:
一、醫(yī)用診斷超聲，即用診斷超聲主要是以低能量形式應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，以探查和提取人體信息為目的，一般不會在人體組織內(nèi)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的生物變化。由于醫(yī)療診斷超聲設(shè)備是以探查和提取人體信息為目的，因此為了提高圖像的清晰度，更精確、更清晰的反映組織的情況，現(xiàn)在超聲診斷設(shè)備的聲功率越來越大，有的甚至已經(jīng)到了對人體組織產(chǎn)生生物變化的程度，尤其是對胎兒的影響尤為重大，過大的超聲的效應(yīng)可能造成胎兒的畸形。診斷超聲的圖像清晰和生物效應(yīng)成了一對矛盾的主體，既要保證安全，又要達到圖像清晰和生物效應(yīng)成了一對矛盾的主體，既要保證安全，又要達到圖像的清晰為臨床診斷提供依據(jù)，為了保障安全使用超聲診斷設(shè)備，行業(yè)內(nèi)提出了診斷超聲的安全閾值的問題。為此必須對醫(yī)用診斷設(shè)備的聲參數(shù)進行評價，確保臨床應(yīng)用中的安全性。
[0003]二、醫(yī)用治療·超聲，治療超聲主要是高能量的形式作用于人體，使人體組織發(fā)生某種有利于疾病治療或是身體康復(fù)的變化。根據(jù)所用超聲強度的不同，治療超聲又可分為理療超聲、熱療超聲和高強度聚焦超聲(HIFU)，特別是HIFU進入體內(nèi)的能量巨大，可以瞬間使組織發(fā)生不可逆的生物變化。同樣為了保障人體用械安全，治療超聲設(shè)備也必須工作在安全閾值范圍內(nèi)。
[0004]這些安全閥值的測量必須依靠水聽器來實現(xiàn)，目前國外市場上的高頻超聲水聽器生產(chǎn)企業(yè)有美國ONDA公司、丹麥B&K公司和英國精密聲學(xué)公司，其采用半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)的真空鍍膜工藝，水聽器的靈敏度在40M頻率范圍內(nèi)基本在一條直線兩側(cè)微小變化，不會出現(xiàn)反向拐點，通常用每50KHz頻率間隔進行校準，數(shù)據(jù)輸入測量系統(tǒng)，計算機根據(jù)不同頻率調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)，換算成聲壓值，可以滿足實際測量的需要，基本原理如圖1所示。國內(nèi)也有類似產(chǎn)品的制造商，如中科院聲學(xué)所、無錫海鷹公司、上海交通大學(xué)和中船715所，但靈敏度曲線和國外產(chǎn)品無法相提并論，國內(nèi)用戶每年采購大量國外水聽器。
[0005]國外傳統(tǒng)的水聽器采用陶瓷和PVDF制造，將接收敏感面做的很小，壓電材料的接收靈敏度很小，在500KHz到40MHz的范圍內(nèi)得到較好的頻率響應(yīng)，在小信號的條件下，這種方法可以通過水聽器輸出端加通用放大器，將輸出信號放大，再被數(shù)據(jù)采集器采集，讀出相應(yīng)的電壓值，通過校準的靈敏度系數(shù)換算成聲壓值。隨著治療超聲技術(shù)的迅猛發(fā)展，零點毫米的尺寸壓電材料，其機械應(yīng)力無法承受高強度的超聲沖擊力，把水聽器幾何尺寸做大，其機械應(yīng)力雖然提高，但是水聽器的頻率響應(yīng)就出現(xiàn)比較大的非線性，從技術(shù)上講，對水聽器拐點處校準很困難并且校準費用巨大，大多數(shù)用戶無法承受，這將給日常使用帶來很多困難。[0006]
【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提高現(xiàn)有水聽器的線性度，通過專用定制芯片技術(shù)實現(xiàn)水聽器的輸出頻響在設(shè)定的范圍內(nèi)。
[0007]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
一種提高水聽器線性度的方法，包括以下步驟:
步驟(1)，將水聽器固定在測試場中，采用信號源向水聽器發(fā)射頻率連續(xù)變化、恒定聲壓的掃頻測試信號；
步驟(2)，水聽器接收該掃頻測試信號，在水聽器的輸出端設(shè)置一個可變增益放大器，水聽器的輸出信號經(jīng)可變增益放大器放大后，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器轉(zhuǎn)換成聲壓信號輸入至一計算裝置；
步驟(3)，該計算裝置將所述聲壓信號采集、運算和存儲，得到水聽器的頻響曲線，根據(jù)頻響曲線計算出所述可變增益放大器的放大頻響曲線，所述放大頻響曲線和所述水聽器的頻響曲線以水平軸對稱；
步驟(4)，計算裝置將所述可變增益放大器的放大頻響曲線數(shù)據(jù)輸送給可編程控制器，該可編程控制器監(jiān)測該放大頻響曲線信號頻率并向可變增益放大器輸出控制信號，以50KHz頻率間隔控制可變增益放大器的放大系數(shù)，使可變增益放大器輸出端的輸出信號在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)輸出幅度基本不變，從而實現(xiàn)水聽器輸出的頻響曲線基本成一直線。
[0008]本發(fā)明還提出一種提高水聽器線性度的裝置，包括水聽器、可變增益放大器、數(shù)據(jù)采集器、計算裝置以及可編程控制器；其中，所述可變增益放大器用于將水聽器的輸出信號放大，所述數(shù)據(jù)采集器用于采集可變增益放大器放大后信號的電壓值，并通過校準的靈敏度系數(shù)將電壓值換算成聲壓值輸入計算裝置，所述計算裝置根據(jù)接收的聲壓值得到水聽器的頻響曲線，進而計算出所述可變增益放大 器的放大頻響曲線；所述可編程控制器監(jiān)測該放大頻響曲線信號頻率，并向可變增益放大器輸出控制信號控制可變增益放大器的放大系數(shù)，使可變增益放大器輸出端的輸出信號在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)輸出幅度基本不變。
[0009]作為進一步的優(yōu)化方案，本發(fā)明的一種提高水聽器線性度的裝置中，所述可變增益放大器包括前置放大器、可控衰減器、后置放大器；其中所述前置放大器的輸入端連接水聽器的輸出端，所述前置放大器的輸出端依次連接可控衰減器、后置放大器，所述后置放大器的輸出端連接數(shù)據(jù)采集器；所述可編程控制器輸出控制信號至可控衰減器來控制可變增益放大器的放大系數(shù)。
[0010]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:
1、可以解決目前國際上無法做到的高強度水聽器頻響曲線變化無拐點的技術(shù)問題。
[0011]2、可以讓國內(nèi)的水聽器頻響指標達到國外的先進水平，替代進口。
[0012]3、可以節(jié)約大量的成本，國外的水聽器采購價是13萬左右，而國內(nèi)的水聽器只有2000元，首次通過增加可變增益放大器2萬元，用戶可節(jié)約10萬元成本，可變增益放大器后續(xù)可以重復(fù)使用，對新購水聽器通過軟件編程予以配套即可。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中測量普通水聽器頻響曲線的信號流向示意圖。
[0014]圖2是本發(fā)明通過可編程控制器向可變增益放大器輸出控制信號的流向示意圖。[0015]圖3是本發(fā)明提出的帶可變增益放大器的水聽器工作信號流向示意圖。
【具體實施方式】
[0016]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明。
[0017]為了達到本發(fā)明的技術(shù)目的，要求水聽器輸出端輸出幅度基本穩(wěn)定，由于大多數(shù)國產(chǎn)水聽器輸出隨頻率變化較大，特別是在幅值從上升向下降變化或從下降向上升變化的拐點處，信號的幅值變化率就非常大，數(shù)據(jù)在拐點校準時的誤差就變大，在整個頻帶內(nèi)無法滿足使用要求，只有采用計算機技術(shù)逐點補償來達到輸出穩(wěn)定的目的，使輸出信號趨于平緩，不出現(xiàn)急劇拐點，系統(tǒng)通常由硬件和軟件兩部分組成，通過硬件和軟件兩部分的有機組合可以實現(xiàn)較復(fù)雜的功能?？勺冊鲆娣糯笃骶褪怯熊浻布Y(jié)合的電子系統(tǒng)，即增益可由計算機編程實現(xiàn)。
[0018]參見圖2、圖3，本發(fā)明提出一種提高水聽器線性度的裝置，包括水聽器、可變增益放大器、數(shù)據(jù)采集器、計算裝置以及可編程控制器；其中水聽器輸出端連接可變增益放大器的輸入端，所述可變增益放大器的輸出端連接數(shù)據(jù)采集器，所述數(shù)據(jù)采集器與計算裝置連接，所述計算裝置與可編程控制器連接；可變增益放大器包括前置放大器、可控衰減器、后置放大器；其中所述前置放大器的輸入端連接水聽器的輸出端，所述前置放大器的輸出端依次連接可控衰減器、后置放大器，所述后置放大器的輸出端連接數(shù)據(jù)采集器，可編程控制器的輸出端連接可控衰減器。
[0019]在實際工作時，將現(xiàn)有的水聽器固定在測試場中，信號源向水聽器發(fā)射頻率連續(xù)變化恒定聲壓掃頻測試信號，用水聽器接收信號，可變增益放大器將水聽器的輸出信號放大，數(shù)據(jù)采集器采集可變增益放大器放大后信號的電壓值，并通過校準的靈敏度系數(shù)將電壓值換算成聲壓值輸入計算裝置，計 算裝置根據(jù)接收的聲壓值得到水聽器的頻響曲線，假定輸出為一直線，則可變增益放大器與水聽器的頻響曲線應(yīng)和前述直線對稱，通過補償原理進而計算出可變增益放大器的放大頻響曲線，該放大器頻響曲線和水聽器的頻響曲線以水平軸對稱；可編程控制器監(jiān)測該放大頻響曲線信號頻率，并向可變增益放大器輸出控制信號至可控衰減器，以很小的頻率間隔來控制可變增益放大器的放大系數(shù)，使可變增益放大器輸出端的輸出信號在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)輸出幅度基本不變或變化幅度很小，從而實現(xiàn)水聽器輸出的頻響曲線基本成一直線，提高其線性度。水聽器和可變增益放大器連接起來的理想結(jié)果是輸出一條直線。
[0020]通過前述方法測量和編程，實現(xiàn)水聽器的頻響曲線達到要求，通過這樣的方法，達到國外膜式水聽器的頻響曲線要求，方便用戶使用。
【權(quán)利要求】
1.一種提高水聽器線性度的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟(1)，將水聽器固定在測試場中，采用信號源向水聽器發(fā)射頻率連續(xù)變化、恒定聲壓的掃頻測試信號； 步驟(2)，水聽器接收該掃頻測試信號，在水聽器的輸出端設(shè)置一個可變增益放大器，水聽器的輸出信號經(jīng)可變增益放大器放大后，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器轉(zhuǎn)換成聲壓信號輸入至一計算裝置； 步驟(3)，該計算裝置將所述聲壓信號采集、運算和存儲，得到水聽器的頻響曲線，根據(jù)頻響曲線計算出所述可變增益放大器的放大頻響曲線，所述放大頻響曲線和所述水聽器的頻響曲線以水平軸對稱； 步驟(4)，計算裝置將所述可變增益放大器的放大頻響曲線數(shù)據(jù)輸送給可編程控制器，該可編程控制器監(jiān)測該放大頻響曲線信號頻率并向可變增益放大器輸出控制信號，以50KHz頻率間隔控制可變增益放大器的放大系數(shù)，使可變增益放大器輸出端的輸出信號在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)輸出幅度基本不變，從而實現(xiàn)水聽器輸出的頻響曲線基本成一直線。
2.一種提高水聽器線性度的裝置，其特征在于:包括水聽器、可變增益放大器、數(shù)據(jù)采集器、計算裝置以及可編程控制器；其中，所述可變增益放大器用于將水聽器的輸出信號放大，所述數(shù)據(jù)采集器用于采集可變增益放大器放大后信號的電壓值，并通過校準的靈敏度系數(shù)將電壓值換算成聲壓值輸入計算裝置，所述計算裝置根據(jù)接收的聲壓值得到水聽器的頻響曲線，進而計算出所述可變增益放大器的放大頻響曲線；所述可編程控制器監(jiān)測該放大頻響曲線信號頻率，并向可變增益放大器輸出控制信號控制可變增益放大器的放大系數(shù)，使可變增益放大器輸出端的輸出信號在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)輸出幅度基本不變。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種提高水聽器線性度的裝置，其特征在于:所述可變增益放大器包括前置放 大器、可控衰減器、后置放大器；其中所述前置放大器的輸入端連接水聽器的輸出端，所述前置放大器的輸出端依次連接可控衰減器、后置放大器，所述后置放大器的輸出端連接數(shù)據(jù)采集器；所述可編程控制器輸出控制信號至可控衰減器來控制可變增益放大器的放大系數(shù)。
【文檔編號】A61N7/00GK103431875SQ201310417964
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月13日
【發(fā)明者】于一, 胡雷, 李友寧 申請人:于一