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端，給柔性壓電超聲換能器一個(gè)激勵的正弦信號。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信號。控制水聽器與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電壓幅值的情況下，反復(fù)改變正弦激勵的頻率時(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下激勵信號波形和接收電壓波形

頻率為357kHz下激勵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)與激勵電壓幅值的關(guān)系