功率放大器在面向骨質損傷輔助治療的柔性壓電超聲換能器研究中的應用

實驗名稱：功率放大器基于柔性壓電超聲換能器水下放射實驗中的應用

實驗目的：

針對長期輔助治療骨質損傷的需求,設計了一種可貼附式的柔性壓電超聲換能器。

實驗設備：

主機，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

實驗內(nèi)容：

通過步進電機控制實現(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，進行采集數(shù)據(jù)。

實驗過程：

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（由于設備自身裝配的關系，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，反復改變正弦激勵的頻率時，發(fā)現(xiàn)在頻率為357kHz時，水聽器接收到的超聲信號強度最大。

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

實驗結果：

經(jīng)過計算和得到的激勵電壓幅值與超聲波聲強的關系如圖所示。從圖中可以看出，當正弦激勵信號頻率為357kHz、幅值達到100V時，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)過計算后，聲強為55.33W/m2，換算得5.533mW/cm2。由于本次實驗控制的最小距離為5cm，而非*貼合，因此導致測量得到的聲強較小。但從目前實驗的數(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間的長短。

超聲波聲強與激勵電壓幅值的關系