本发明涉及超声聚焦测量、软件仿真、传感器技术，特别是基于声散射的高强度聚焦超声场测量方法。
背景技术：
近年来，声学在各行各业的应用越来越广泛，尤其是在制造业和医疗行业。尤其是成熟的HIFU该技术利用高强度聚焦超声使焦域组织瞬间凝固坏死，焦域外组织无明显损伤，凝固坏死组织可逐渐吸收或疤痕化，达到治疗效果。可以看出，高强度聚焦超声具有医疗价值，因此研究和测量聚焦超声场具有重要意义。
目前，传统的聚焦超声场测量方法是辐射力法、水听器检测法、光纤检测法和光学检测法。辐射力法是一种通过液体中的声辐射压力来测量声功率的方法，操作简单，但当声功率过大时，水中会有空化气泡组，使测量声功率不稳定，即环境要求很高。水听器是一种使用将水下声压信号转换为电信号的传感器。水听器的材料包括压电陶瓷和PVDF，当声功率超出一定范围，压电陶瓷容易被打碎，PVDF虽然质地相对柔软稳定，但针型PVDF在高强度聚焦声场中仍然容易损坏。光纤检测方法主要是端面法、光纤光栅和声光衍射法。虽然光纤体积小，空间分辨率高，但有一定的测量要求和局限性。光学检测方法一般用于定性检测声场。实验现象可以直接用肉眼观察声场的分布。
由于高强度聚焦超声场的能量非常高，目前还没有完全理想的方法来全面检测高强度聚焦超声场。目前，高强度聚焦超声场的测量主要采用辐射力法和水听器法。
高强度聚焦超声场声压一般超过200MPa,负压可能超过-10MPa，同时，随着空化等现象，当声压超过空化阈值时，空化气泡的爆破会产生很高的压力，损坏设备，造成经济损失和实验失败。因此，在测量高强度聚焦超声的过程中，找到避免实验损坏的方法，使测量误差在合理接受范围内，值得人们关注和研究。
技术实现要素：
本发明提供了一种高强度聚焦超声场测量方法，具有操作简单、成本低、实验部件灵敏度高、信号处理简单、可行性高等优点。
本发明的具体步骤如下：
1)建立以高强度聚焦超声测量传感器为核心的高强度聚焦超声场测量系统。
该系统包括一个聚焦超声传感器和一个自制的高强度聚焦超声测量传感器，其中探针是该传感器的核心部件之一，其尖端为直径1mm半球表面。测量时，将探针的中心放置在聚焦超声波传感器的焦域，在距离探针一定距离的垂直散射方向上有一个圆圈PVDF外圈采用吸声材料加固。
2)测量前，调试测量系统，然后启动测量装置进行测量。
3)利用实验前计算的模拟结果进行分析PVDF压电膜圆环测量处与探针焦域的声压关系，处理收集到的信号，获得超声聚焦区的声场声压。
所以在实验前，通过MATLAB该软件可以模拟探针散射的方向性，获得探针半球表面各方向的初始散射声压值。本发明选择90度方向，垂直于探针方向。同样计算方向10mm通过数据分析处球面声压和10mm处声压理论值之间的关系。然后通过实验将示波器获得的电信号转换为10mm散射声压值，可反演，得到聚焦区的声场声压。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用聚焦超声传感器，能量集中在聚焦区域，采用刚性探针散射进行间接测量。与直接测量方法相比，可有效避免设备损坏，减少其经济损失。
2.本发明应在实验前使用COMSOL软件和MATLAB模拟软件，提前确定探针半球面端和PVDF测量点声压之间的关系。根据传感器生产的需要，选择探针和探针PVDF对模拟结果进行处理，分析了探针半球面端与PVDF测量点声压之间的关系，实验后可得到焦域声场声压。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为高强度聚焦超声测量传感器示意图；
图3是焦域超声散射测量的原理图。
具体实施方法
本发明结合附图进一步说明。
如图1所示，本发明的整体结构包括信号发生器1、功率放大器2、聚焦超声换能器3、高强度聚焦超声测量传感器4、水介质5、水槽6、示波器7。本发明通过信号发生器1发生高频正弦脉冲信号，将该信号通过功率放大器2放大信号能量，放大后的信号通过固定在水槽6一侧内壁上的聚焦超声换能器3发射超声声束，声束在水介质5中传播，高强度聚焦超声测量传感器4的探针放置在被测聚焦区域中，声波经探针端面发生散射，散射波被高强度聚焦超声测量传感器4的PVDF通过电线将电压信号传输到示波器7。
如图2所示，高强度聚焦超声测量传感器由固定尼龙圆板1(中心有通孔)、聚酰亚胺膜2、PVDF压电薄膜3(环状)、导线4、吸声材料5(环状)、探针6(尖端为半球面)、除氧水7、吸声材料8(圆板)、固定尼龙圆板9(无通孔)、螺栓10和螺丝11构成。高强度聚焦超声测量传感器前端是有通孔的固定尼龙圆板1，通孔需要让聚焦声束通过，然后在该固定圆板后面加上一层聚酰亚胺薄膜2，因为聚酰亚胺薄膜2透声性能良好，使得大部分声波能够穿过通孔经过聚酰亚胺薄膜2进入内部，聚酰亚胺薄膜2还起到隔绝外界和高强度聚焦超声测量传感器内部的水接触，内部为除气水7；声波在进入传感器后，在探针6尖端发生散射，探针6固定在吸声圆板8正中间；PVDF压电膜环3将接收探针6的散射，电线4将传输电信号；整个传感器夹住前后两块固定尼龙板，用螺栓10和螺钉11固定。
如图3所示，声波可视为焦域的平行波，声波散射在探针的半球面尖端，向外辐射。
当使用本发明进行测量时，聚焦超声波传感器发射超声波束通过高强度聚焦超声波测量传感器的通孔，聚集在内部除气水中的聚焦区域。探针半球面端面后，超声波束散射，然后直接到达PVDF根据压电效应，PVDF电荷通过压电膜环产生，PVDF压膜环产生的电压传输给示波器，记录电压信号数据作为散射声压测量的依据；当PVDF当压电膜的环位置或声频发生变化时，检测到的散射声压会相应变化。因此，根据上一步检测到的声压信号，可以通过反演算法计算被测焦域的声场声压。
本发明具体实施例如下：
1)超声波射超声波的模拟
步骤1)利用COMSOL通过模拟软件，可以发现超声波聚焦在聚焦区，散射发生在半球面尖端的探针上，半球面作为次级声源向外发射超声波。
步骤2)利用MATLAB模拟软件可以计算探针端面和垂直于探针10mm声压关系。
2)超声波散射测量装置的结构设计和生产
本发明设计的高强度聚焦超声测量传感器结构如图2所示。PVDF本发明中压电发明中的作用是通过接收散射声信号来检测超声焦域的声场声压。为了准确测量散射声压，采用PVDF制作成3mm宽度环，吸声环厚度为1cm由吸声材料制成，能有效吸收声波，减少振动和反射的影响PVDF压电膜环的固定作用也在后垫5mm吸声板吸收散射部分声波，避免影响测量结果。整个高强度聚焦超声波测量传感器放置在水槽中。探针长度为5cm，直径为1mm，焦域的一端是半球面，直径为1mm，整个探针由钢制成，保证了探针在散射过程中的刚性特性；最后，用螺钉和螺栓固定整个高强度聚焦超声波测量传感器。
步骤2）设计测量实验水槽。一些声波在介质或消声材料中不可避免地会反射和折射。在设计水槽时，应减少声波对外部世界的透射。因此，水槽材料需要具有良好的隔音性能，并能将声波重新发射回水槽内。因此，本发明采用高分子透明材料，性好的聚合物透明材料PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)制作了一个长方体结构的水槽。
第三步：聚焦超声传感器和高强度聚焦超声传感器的放置位置。将聚焦超声传感器垂直固定在PMMA在水槽一侧的内壁上，探针尖端放置在聚焦超声置探针尖端。
2)超声波散射测量系统的设计
步骤1)产生超声信号。使用信号发生器，设置参数，频率为1MHz，振幅为20Vpp，脉冲发射，将信号接入功率放大器，调整阻抗，然后将电信号接入聚焦超声传感器，利用压电效应将声信号发射到水介质中。
步骤2）接收散射声信号。步骤1中的声信号进入高强度聚焦超声测量传感器，通过探针发生散射PVDF压电膜环将接收到的散射声信号转换为电信号，然后通过PVDF压电薄膜圆环上的导线，被示波器接收，读取并记录声压信号产生的电信号。