基于中間層原理?xiàng)钍夏Ａ繙y(cè)量系統(tǒng)

江佩師　張穎　白翠珍　李琪琛　柯勇

摘 要：闡述了基于聲波通過(guò)中間層聲波透過(guò)規(guī)律測(cè)量楊氏模量的理論和方法。通過(guò)建立合理的中間層進(jìn)行聲波透射實(shí)驗(yàn)，使用虛擬儀器調(diào)整聲波信號(hào)發(fā)生器的頻率，依據(jù)接收器接收到的聲強(qiáng)變化確定聲波在材料中的半波長(zhǎng)，從而得出聲波在中間層的行波速度，計(jì)算出材料的楊氏模量，測(cè)量結(jié)果表明，此測(cè)量系統(tǒng)可以滿足測(cè)量的要求，并在一定程度上克服了傳統(tǒng)聲速法時(shí)間差的信號(hào)處理點(diǎn)容易引入誤差的缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：楊氏模量；組織；中間層；虛擬儀器

中圖分類號(hào)：Q632 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

楊氏模量可以反映固體抵抗形變的能力，是選擇構(gòu)件的重要參考指標(biāo)，生物組織的楊氏模量很大程度依賴于組織的構(gòu)成，病變常引起組織的構(gòu)成發(fā)生改變，楊氏模量在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域也發(fā)揮重要作用。傳統(tǒng)聲速法測(cè)量楊氏模量系統(tǒng)，是通過(guò)記錄超聲波在試樣中的傳播時(shí)差得到聲速，再由公式計(jì)算得到楊氏模量。測(cè)量系統(tǒng)復(fù)雜，常需要使用耦合劑，操作難度大，且在時(shí)差信號(hào)的處理上容易引入誤差，因而測(cè)量精度較低。中間層聲速法楊氏模量測(cè)量系統(tǒng)，是利用虛擬儀器技術(shù)，用計(jì)算機(jī)模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)控制半真空隔絕環(huán)境中的音頻信號(hào)發(fā)生設(shè)備，創(chuàng)造出垂直進(jìn)入材料的穩(wěn)定波面，排除反射聲波的影響，對(duì)接受到的信號(hào)進(jìn)行采集，并且利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的分析、運(yùn)算處理，從而得出楊氏模量的方法。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 控制部分：由計(jì)算機(jī)以及相應(yīng)軟件構(gòu)成，PC中的聲卡已經(jīng)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)配置，通過(guò)編寫(xiě)程序，可以讓PC通過(guò)聲卡可輸出各種形式的波形。信號(hào)發(fā)生器軟件的設(shè)置為正弦波，輸出波形頻率范圍為200Hz～4MHz，最小步進(jìn)值為5Hz，其測(cè)試界面如圖1所示。

1.2 信號(hào)發(fā)射部分：由電腦通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)控制的聲波發(fā)射裝置產(chǎn)生聲波，保持聲源發(fā)生裝置的膜片與暖壺開(kāi)口平行，使聲波在真空外殼空間內(nèi)達(dá)到平衡時(shí)，中空外殼出口處形成穩(wěn)定垂直透射波面。

1.3 中間層系統(tǒng)：待測(cè)材料充當(dāng)中間層，試驗(yàn)中確保中間層前后平面平行，并使前后媒介完全隔離，試驗(yàn)所用中間層厚度d=20mm，密度ρ=1.10g/cm3，前后媒介為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，室溫條件下空氣。

1.4 信號(hào)接收部分：將拾音器固定在一定位置，設(shè)置軟件相關(guān)參數(shù)，選擇探頭A；采樣頻率44100Hz，采樣位數(shù)16位；頻譜分析儀設(shè)置X軸刻度為頻率（分辨率43.0664Hz）；Y軸刻度設(shè)置為絕對(duì)模式dBSPL，幀間處理為峰值保持（永久）。

2 測(cè)量過(guò)程及結(jié)果處理

2.1 固定信號(hào)發(fā)射部分，使圓膜與開(kāi)口平行，使用D=20mm的硅橡膠封閉暖壺口，將信號(hào)采集設(shè)備固定于一定位置。

2.2 通過(guò)PC軟件控制信號(hào)發(fā)生器，發(fā)射垂直測(cè)試材料平行面的200Hz～4MHz的等梯度正弦波，在頻譜分析儀得到聲強(qiáng)頻率分布曲線的第一個(gè)顯著波峰，取1679.6Hz～2497.9Hz部分的聲強(qiáng)數(shù)值，在相同條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)，作頻率（Hz）與聲強(qiáng)（dB）曲線。

2.3 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到峰值聲強(qiáng)時(shí)頻率始終為2153.4Hz，由中間層原理可知當(dāng)中間層厚度為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，聲波可以透過(guò)，此時(shí)：d=λ/2，λ=4.0cm，根據(jù)V=fλ得到材料中聲速：V=4.0×2153.4=8613.6cm/s；已知樣品：ρ=1.10g/cm2；根據(jù)E=ρ·v2得到楊氏模量：E=8.16MPa。

3 結(jié)果分析

得出結(jié)果E=8.16MPa，與委托檢測(cè)中心應(yīng)用楊氏模量測(cè)試儀器（SCT-57（232）微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，GB/T1040.1-2006）測(cè)得數(shù)值相比，相對(duì)誤差為1.7%，提高頻譜分析儀的頻率分辨率，減小信號(hào)發(fā)生器的進(jìn)步值，可以更精確的得出測(cè)試材料的楊氏模量，該系統(tǒng)可以用于材料楊氏模量的測(cè)量與離體組織彈性功能的臨床病理學(xué)測(cè)定。

參考文獻(xiàn)

[1]杜功煥，等.聲學(xué)基礎(chǔ)[M].南京大學(xué)出版社，2001.

[2]陳月輝.聲學(xué)功能橡膠[J].特種橡膠制品，2004（01）.

[3]周曉明.三種楊氏模量測(cè)量方法比較[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011（06）.

[4]陳映純.基于虛擬儀器的楊氏模量實(shí)驗(yàn)中共振頻率的測(cè)量[J].物理實(shí)驗(yàn)，2012（05）.

[5]姜鑌.實(shí)時(shí)剪切波彈性成像技術(shù)對(duì)成年人肝臟楊氏模量正常值的研究[J].生物醫(yī)學(xué)工程與臨床，2013（06）.

[6]趙子卓.超聲彈性成像基本原理及技術(shù)[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息，2008（04）.