功率放大器在面向骨質(zhì)損傷輔助治療的柔性壓電超聲換能器研究中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)名稱：功率放大器基于柔性壓電超聲換能器水下放射實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

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針對長期輔助治療骨質(zhì)損傷的需求,設(shè)計(jì)了一種可貼附式的柔性壓電超聲換能器。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：

主機(jī)，信號發(fā)生器，功率放大器（ATA-4011），信號發(fā)生器，水聽器，測試水箱

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

通過步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)測試夾持平臺(tái)在X、Y和Z軸的上的位移。信號發(fā)生器和功率放大器作為激勵(lì)端，給柔性壓電超聲換能器一個(gè)激勵(lì)的正弦信號。固定位置的水聽器用于水下接收柔性壓電超聲換能器發(fā)射出來的超聲波，并通過示波器反饋到主機(jī)，進(jìn)行采集數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)過程：

本次測試首先采用頻率為321.15kHz(通過阻抗分析儀先前在水中測得的器件諧振頻率）幅值為 10V正弦電壓作為柔性壓電超聲換能器工作的激勵(lì)信號?？刂扑犉髋c柔性壓電超聲換能器的距離為5cm（由于設(shè)備自身裝配的關(guān)系，水聽器與待測器件的最小距離為5cm)，并且保證水聽器的接收端對準(zhǔn)待測器件的中心位置。

黑色的波形是信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形，藍(lán)色的波形是水聽器接收到的波形。從圖中可以看出，水聽器接收到的超聲信號電壓峰峰值為31mV。但是在在不改變水聽器和柔性壓電超聲換能器的相對位置和激勵(lì)電壓幅值的情況下，反復(fù)改變正弦激勵(lì)的頻率時(shí)，發(fā)現(xiàn)在頻率為357kHz時(shí)，水聽器接收到的超聲信號強(qiáng)度最大。

頻率為321.15kHz下激勵(lì)信號波形和接收電壓波形

頻率為357kHz下激勵(lì)信號波形和接收電壓波形

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

經(jīng)過計(jì)算和得到的激勵(lì)電壓幅值與超聲波聲強(qiáng)的關(guān)系如圖所示。從圖中可以看出，當(dāng)正弦激勵(lì)信號頻率為357kHz、幅值達(dá)到100V時(shí)，水聽器在距離柔性壓電超聲換能器5cm處測量得到的信號經(jīng)過計(jì)算后，聲強(qiáng)為55.33W/m2，換算得5.533mW/cm2。由于本次實(shí)驗(yàn)控制的最小距離為5cm，而非*貼合，因此導(dǎo)致測量得到的聲強(qiáng)較小。但從目前實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)中可以看出，柔性壓電超聲換能器產(chǎn)生的低強(qiáng)度超聲波具有潛在能力去輔助治療骨折愈合,其安全性能取決于激勵(lì)電壓幅值的大小和照射時(shí)間的長短。

超聲波聲強(qiáng)與激勵(lì)電壓幅值的關(guān)系