Измерение выходной акустической мощности и выбор формы пучка

Абсолютные измерения уровня выходной акустической мощности обычно проводятся с целью контроля технических параметров системы, хотя, по-видимому, более важную роль они играют в плане обеспечения безопасности пациентов. Основой для такого контроля являются разработанные стандарты по безопасности. В ряде стран указание значений уровней выходной акустической мощности становится необходимым условием для продажи ультразвуковой диагностической аппаратуры. Необходимо отметить [11], что задача точного определения выходной акустической мощности является очень сложной. Для систем с непрерывным излучением можно измерять пространственное распределение интенсивности (или акустического давления), затем полученное распределение проинтегрировать по сечению пучка и найти полную выходную мощность системы. В импульсных системах следует принимать в рассмотрение как мгновенные, так и средние значения указанных параметров. Наконец, из-за нелинейности характеристик исследуемой среды (воды) форма импульса и пространственное распределение в акустическом пучке зависят от амплитуды. Последнее означает, что измерение параметров акустического поля, таких, как интенсивность, максимальные положительные или отрицательные давления, может давать отличные друг от друга пространственные распределения.

В настоящее время принято рассматривать четыре параметра, характеризующих интенсивность излучения: интенсивность, максимальную в пространстве и времени (SPTP); интенсивность, максимальную в пространстве и усредненную по времени (SPTA); интенсивность, максимальную в пространстве и усредненную по импульсу (SPPA), и, наконец, интенсивность, усредненную по пространству и времени (SATA). Последняя из этих величин получается посредством деления полной выходной мощности на площадь преобразователя. Отсюда следует, что если распределение интенсивности измеряется непосредственно в фокальной плоскости, то полную мощность можно рассчитать, умножив интенсивность SATA на площадь сечения пучка (она определяется на уровне 20 дБ) в плоскости измерения. Предлагается также определить интенсивность SPTP дважды на основе измерения максимальных значений положительного и отрицательного давлений. Последнее обусловлено тем, что с отрицательным давлением (разрежением) наиболее вероятно связано возникновение кавитации, а положительное давление обычно вдвое превосходит отрицательное. Пространственное распределение давления, по которому затем вычисляют распределение интенсивности, измеряют методом сканирования по полю акустического излучения с помощью миниатюрного приемника-преобразователя (называемого гидрофоном) или же многоэлементной матрицей гидрофонов. Существующие гидрофоны имеют самые разнообразные конструкции, но любой из них должен обладать минимально возможными габаритами для обеспечения необходимого пространственного разрешения, отсутствием взаимодействия с исследуемым акустическим полем, необходимым временным разрешением (т. е. широкой полосой) и идеально плоской амплитудно-частотной характеристикой в диапазоне рабочих частот, чтобы излученный акустический сигнал (или импульс) воспроизводился с достаточной точностью. Ширина полосы гидрофона в действительности должна быть существенно больше полосы излучаемых частот, поскольку гидрофон должен воспроизводить высшие гармоники, возникающие из-за нелинейного характера среды, в которой распространяются ультразвуковые волны. При измерениях акустического давления эти устройства необходимо прокалибровать относительно какого-либо абсолютного эталона, причем важно, чтобы чувствительность гидрофона оставалась постоянной в течение длительного периода времени. Если требуется измерить только полную выходную мощность ультразвукового прибора, то для этой цели можно воспользоваться устройством, называемым радиометром [2]. По существу это устройство представляет собой очень чувствительные весы, измеряющие усилие, с которым ультразвуковой пучок действует на отражатель. Основным конструктивным элементом этого устройства является акустический поглотитель или зеркало. Метод измерения радиационного давления широко применяется (наряду с другими методами) как стандартный способ калибровки гидрофонов.

Общепринятыми методами измерения относительных пространственных распределений акустических полей (профиля пучка) являются метод сканирующего гидрофона (или матрицы гидрофонов), метод сканирования миниатюрным отражателем, применяемый для эхоимпульсных систем, а также сверхчувствительные оптические методы (например, теневой метод), позволяющие визуализировать относительные изменения показателя преломления, вызванные изменениями плотности среды в бегущей акустической волне. Измерения профиля пучка обычно проводятся лишь для оценки характеристик преобразователя, поскольку они занимают слишком много времени и требуют более дорогостоящего оборудования, нежели рассмотренные ранее методы с использованием акустических фантомов или акустического сигнала.