用光声方法测量组织超声声速(图文)

论文导读：在水听器的前面放上一些规则的组织，让激发的光声信号穿过，通过测量光声信号在水中与组织中的传播时间差，如图2所示，可得出信号在组织中的传播速度，比如超声在鱼肉中的声速为1541.7m/s，具体各种组织声速如表1所示。利用短脉冲激光激发宽频带的光声信号，采用一针状PVDF膜的宽带水听器接收光声信号，在水听器前面放上各种组织，通过测量组织厚度和延时，可以很方便的测出各种组织的声速。
关键词：光声信号，组织声速，测量
 

1 引言

声速的测量方法很多，在工程技术中用的比较多的是传播时间法、脉冲回鸣法和脉冲迭加法，这三种方法都是测量声速的有效方法[1]。科技论文。本文采用的是利用短脉冲激光激发宽频带的光声信号，采用一针状PVDF膜的宽带水听器接收光声信号，在水听器前面放上各种规则的组织，通过测量组织厚度和延时，可以很方便的测出各种组织的声速；通过采集测量信号的峰峰值，还可以得出光声信号对各种组织的反射与衰减情况。

2 理论分析

当用脉冲光源照射某种吸收体时，其局部的温度将发生瞬时的改变，导致体积膨胀而产生超声波，这种超声波称为光声信号 [2]。在空间某一位置接收到的光声压p(r,t)和光吸收系数的分布A(r)的关系可以表达为[3]

（1）

其中为等压膨胀系数，c0为光声信号在吸收体中的声速，cp为比热，I0为光强，r表示光声压的场点位置，表示光声源的位置，表示场点到源点的距离。

当纯水为某一温度时，超声在纯水中的声速为（比如水温为22℃，超声在纯水中的声速为1492.0m/s），在水听器的前面放上任一规则的组织，让激发的光声信号穿过，设组织的厚度为x，信号在组织中的声速为，通过测量光声信号在水中与组织中的传播时间差，可得出信号在组织中的传播速度，即可表示为：

即 （2）

3 实验结果与讨论

图1为吸收体和超声换能器都置于纯水中的实验装置图。科技论文。将脉冲激光(波长为1064nm,脉宽为8ns，脉冲重复频率为20Hz)均匀照射在样品上，产生光致超声。在水槽中通过移动、测量水听器(PrecisionAcoustics LTD，灵敏度为950nv/pa，接收面积直径为1mm)的位置，由示波器(TDS3032, Tektronix，最高采样率2.5G ，带宽 300MHz)、GPIB采集卡和计算机采集光声信号，记下光声信号的传播时间(实验中脉冲激光和示波器由同一触发源同时触发, 探测器接收到的光声信号相对触发信号的延迟时间就是光声信号从光声激发位置到探测器的传播时间)，可以计算出光声信号在水中的传播速度，由实验测量得，当水温为22℃时，声速为1492m/s，再将水温降低或升高，可以得到水的声速随温度的变化关系[4,5]。科技论文。实验中示波器的采样率为250MHz。

图1 声速测量实验装置图

在水听器的前面放上一些规则的组织，让激发的光声信号穿过，通过测量光声信号在水中与组织中的传播时间差，如图2所示，可得出信号在组织中的传播速度，比如超声在鱼肉中的声速为1541.7m/s，具体各种组织声速如表1所示。

由图2可以看出，超声在纯水（13℃）中传播的延时最长，即传播的速度最慢，在瘦肉中传播的延时最短，即传播的速度最快；而且信号在纯水中的峰峰值最大，为310mv，在瘦肉中的峰峰值最小，为84mv，说明信号在组织之间声速不匹配时，有很强的反射，当然另一方面信号在组织中传播时也有衰减[6,7]。

图2 光声信号在各种组织中的延时

表1 各种组织的声速

4 结论

利用短脉冲激光激发宽频带的光声信号，采用一针状PVDF膜的宽带水听器接收光声信号，在水听器前面放上各种组织，通过测量组织厚度和延时，可以很方便的测出各种组织的声速；通过测量采集信号的峰峰值，还可以得出声信号对各种组织的反射与衰减情况，所以在进行光声成像时，还必须通过耦合液进行声速匹配。

参考文献
1.郑庆华。声速测量实验的探讨[J]。大学物理，2007，26(9):31-33.
2.何军锋，谭毅。激光波长对光声成像深度影响研究[J]。陕西理工学院学报，2007，23(4):68-71.
3.谭毅，赵长水，姚军财。基于小波变换的光声成像算法[J]。陕西理工学院学报，2009，25(4):28-31.
4.谭毅，何军锋。声折射对光声成像的影响[J]，光电子.激光，2007，18(8):1013-1016.
5.谭毅。光声耦合液的研制方法[J]，科技信息，2010，6:16-17.
6.贺梅英，黄沛天。声速测量实验中声波衰减现象的研究[J]。物理测试，2007，25(1):27-28.
7.谭毅，邢达，王毅等，基于不同频率成份衰减矫正的光声成像[J]。光子学报，2005, 34(7):1019-1022.