CC BY
19КОНТРОЛЬ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТАКТА ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ УЛЬТРАЗВУКА С
ОБЪЕКТОМ ВОЗДЕЙСТВИЯ
Гладилин А. В. ([email protected]) ГУП Акустический институт имени академика Н. Н. Андреева
Расчет и анализ ультразвуковых полей, возбуждаемых в объекте воздействия пьезоэлектрическими излучателями, обычно проводятся в предположении о малости потерь энергии излучаемых волн в области акустического контакта. На практике возможно нарушение контакта как при установке, так и при перемещении излучателя. Это нарушение приводит к снижению эффективности воздействия, изменению величины акустической нагрузки излучателя и его входного импеданса. Указанные причины приводят к необходимости контроля акустического контакта между излучателем и объектом воздействия. Поскольку входной импеданс излучателя в общем случае комплексный, при нарушении акустического контакта будут изменяться как реактивная, так и активная его части.
Для излучателей с фиксированной частотой напряжения возбуждения [1] контроль акустического контакта возможен по изменению амплитуды тока возбуждения и сдвигу фаз между напряжением и током возбуждения. Известно, например, устройство контроля акустического контакта, основанное на измерении сдвига фаз [2]. Его недостатком являются невысокая точность контроля контакта и сложность регулировки при серийном производстве аппаратуры или ее ремонте.
Предлагается устройство контроля акустического контакта, основанное на измерении амплитуды тока возбуждения излучателя [3]. Структурная схема устройства представлена на рис.1 (в составе терапевтического прибора). Измерение силы тока в цепи делителя пьезоизлучатель резистор R
проводится по изменению напряжения UR. Напряжение ^ одновременно подается на вход компаратора /К/ и аналоговое устройство выборки-хранения
Рис. 1 Структурная схема устройства контроля акустического контакта по измерению силы тока в цепи возбуждения излучателя (в составе терапевтического прибора). Обозначения блоков: УЗГ-задающий генератор, М-модулятор, УМ- усилитель мощности, 2- излучателя, УУ- устройство управления, К- компаратор, УВХ- устройство выборки-хранения опорного сигнала, П- пороговое устройство, ГЛВН- генератор линейно возрастающего напряжения, С- сигнализатор, БП- блок питания.
/УВХ/. Одновременно с этим, генератор линейно возрастающего напряжения /ГЛВН/ начинает вырабатывать линейно возрастающее напряжение, поступающее на второй вход компаратора /К/. При равенстве сравниваемых напряжений с выхода компаратора /К/ поступает сигнал, переключающий устройство выборки хранения /УВХ/ в режим хранения. Таким образом на выходе устройства /УВХ/ образуется опорное напряжение, равное На этом процесс подготовки к работе заканчивается, и созданный режим ультразвукового воздействия поддерживается автоматически во время дальнейшей работы.
Параметры возбуждения пьезоэлемента: начальная частота напряжения воздействия, пределы изменения частоты, время воздействия (для непрерывного режима возбуждения) , количество, длительность, скважность импульсов ( для импульсного режима воздействия), интенсивность задаются оператором с помощью устройства управления /УУ/. Как отмечалось ранее, напряжение с устройства выборки хранения /УВХ/ в качестве опорного поступает в пороговое устройство /ПУ/. На второй вход порогового устройства /ПУ/ подается контролируемое напряжение, снимаемое с резистора R. При уменьшении нагрузки пьезоизлучателя т.е. уменьшении площади соприкосновения или плотности контакта, ток в цепи и соответственно напряжение и на резисторе R возрастают. При увеличении падения напряжения на резисторе R, большем заданного, сигналы о степени неконтакта поступают в устройство управления /УУ/ и сигнализатор /С/, при этом, для поддержания заданной дозы воздействия, устройство управления /УУ/ увеличивает время воздействия пропорционально величине неконтакта. При недопустимом нарушении контакта устройство управления сохраняет в памяти полученную пациентом дозу воздействия и отключает прибор.
Акустический контакт может контролироваться в диапазоне изменения выходной мощности до 40 дБ, что существенно перекрывает диапазон, используемый в терапии. Предложенное устройство отличается от известных [2] высокой точностью контроля акустического контакта и простотой аппаратурной реализации.
Для пьезоэлектрических фокусирующих излучателей, возбуждаемых частотномодулированным напряжением (частота изменяется в пределах, необходимых для электрического управления пространственно-временной структурой создаваемых полей) [4], известные способы контроля акустического контакта [2, 3] оказываются неэффективными. Поскольку при изменении частоты возбуждения пьезоизлучателя изменяется и полное эквивалентное сопротивление излучателя, это приводит к появлению амплитудной и фазовой модуляции его напряжения возбуждения. Для фокусирующих излучателей, нагруженных на устройство согласования, анализ спектра амплитудной модуляции частотномодулированного напряжения возбуждения может служить основой метода контроля акустического контакта. В случае неподвижного излучателя о степени неконтакта можно судить по изменению коэффициента
амплитудной модуляции. Если изменение контакта происходит при перемещении излучателя, то о его степени можно судить и по появлению низкочастотных составляющих в спектре амплитудномодулированного напряжения возбуждения, отсутствующих в спектре частотной модуляции.
Структурная схема устройства контроля акустического контакта, основанного на анализе спектра амплитудной модуляции напряжения возбуждения излучателя, представлена на рис. 2..
Рис. 2 Структурная схема устройства контроля акустического контакта, основанного на анализе спектра сигнала возбуждения излучателя (в составе терапевтического прибора). Обозначения блоков: УЗГ-задающий генератор, ЧМ- частотный модулятор , УМ-усилитель мощности , 2- излучатель, УУ-устройство управления, АД- амплитудный детектор, ФНЧ- фильтр нижних частот, ПУ1, ПУ2- пороговые устройства, И- индикатор неконтакта, С-сигнализатор, БП- блок питания .
Цепь контроля акустического контакта включает следующие элементы: амплитудный детектор /АД/; фильтр нижних частот /ФНЧ/, управляемый устройством /УУ/; пороговые устройства /ПУ1/ и /ПУ2/; индикатор неконтакта /И/ , сигнализатор /С/. Амплитудный детектор выделяет огибающую
анализируемого сигнала. Фильтр нижних частот /ФНЧ/, управляемый
устройством /УУ/ ( это устройство устанавливает верхнию частотную границу полосы пропускания в соответствии с пределами изменения частоты в частотном модуляторе /ЧМ/), отфильтровывает частотные составляющие в спектре амплитудной модуляции, возникающие вследствие качания частоты. Таким образом, на выходе фильтра нижних частот /ФНЧ/ имеется отфильтрованная огибающая сигнала возбуждения пьезоизлучателя, пропорциональная степени неконтакта. Постоянная составляющая с фильтра нижних частот поступает в пороговое устройство /ПУ1/ (пороговое значение соответствует 30% отсутствию контакта). При превышении порогового значения пороговое устройство запускает индикатор неконтакта /И/ и происходит отключение прибора. Переменная составляющая поступает в порговое устройство /ПУ2/ , имеющее шесть пороговых значений (с шагом 5% от величины полного контакта). Сигнализатор /С/ отражает текущую степень неконтакта.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Розенберг Л. Д. Фокусирующие излучатели ультразвука// В кн. Физика и техника мощного ультразвука. М.: Наука, 1967, С. 149-206.
2. Стальцев А. С., Шейман В. Л. Ультразвуковой терапевтический аппарат// Патент Би 1149975 А.
3. Гладилин А. В. Ультразвуковой терапевтический прибор с контролем акустического контакта излучателя со средой// Патент RU 2139746 С1.
4. Гладилин А. В., Догадов А. А. Фокусирующие излучатели с электрически управляемой пространственно временной структурой создаваемых полей // Акустический журнал. Т. 46. № 1, 2000.
