CC BY
13
1. Официальный сайт Monogame. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://monogame.com/ (дата обращения: 20.11.2016).
2. Официальный сайт дистрибьютора игровых программ Steam. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://store.steampowered.com/ (дата обращения: 20.11.2016).
Разработка измерителя мощности ультразвукового пучка высокой
интенсивности Кузнецов С. И.
Кузнецов Сергей Игоревич /Kuznetsov Sergei Igorevich — инженер, студент, кафедра систем автоматического управления и контроля, Национальный исследовательский университет Московский институт электронной техники, г. Москва
Аннотация: в статье рассматриваются различные методы измерения полной мощности ультразвукового пучка. Приведены примеры таких методов и произведен их анализ для выбора оптимального, на основе которого спроектирован измеритель мощности ультразвукового пучка высокой интенсивности. Рассмотрены основные источники погрешностей в проектируемой измерительной системе, а также способы нивелирования этих погрешностей.
Ключевые слова: калориметрический метод, гидроакустический преобразователь, измеритель мощности ультразвукового пучка, ультразвук высокой интенсивности.
Электроакустические преобразователи являются единственным средством для приема и направленного создания акустических сигналов в водной среде (а человеческое тело схоже по своим характеристикам с водной средой), что делает их изготовление и улучшение их качества крайне важным направлением науки. При этом одним из важнейших факторов успешного применения ультразвуковых приборов для лечения различных заболеваний является излучение импульсов строго определенной интенсивности. Важность точной градуировки ультразвуковых излучателей невозможно переоценить, ведь если медицинский прибор будет не откалиброван, то его применение может привести к трагическим последствиям для больного человека [1].
Создание измерительных гидрофонов бессмысленно, если нет средств для их градуировки [2]. Еще совсем недавно в России не существовало ни эталонов, ни поверочной схемы для средств измерения гидроакустического давления на частотах свыше 1 МГц. Приходилось использовать зарубежные схемы поверки акустических средств измерения гидроакустического давления, отправлять приборы, требующие калибровки, за границу или вовсе отказываться от поверочных мероприятий в ущерб качеству лечения.
Развитие медицинских технологий, повышение точности и эффективности методов лечения приводят к ужесточению требований для приборов ультразвуковой терапии. Для некоторых видов заболеваний раньше не применялись ультразвуковые методы лечения. Дробление крупных и мелких камней в почках, уничтожение опухолей и некоторые другие заболевания вообще было невозможно вылечить без операционного вмешательства. С повышением мощности ультразвуковых излучателей -это становится возможным.
Однако спроектировать и создать высокомощный излучатель - далеко не все. Необходимо с большой точностью определять качественные характеристики построенного прибора, провести его калибровку, а в дальнейшем проводить его поверку. Для преодоления этой проблемы было принято решение создать собственную поверочную схему для гидрофонов различной мощности.
Поверочная схема для градуировки гидрофонов с полной мощностью ультразвукового пучка до 10 Вт уже спроектирована и успешно используется в ВНИИФТРИ. В ее основе лежит применение метода плоского сканирования. Для этого метода необходимо точно знать полную мощность ультразвукового пучка исследуемого гидрофона. Измерение данной величины проводится на специально для этого разработанном измерителе полной мощности ультразвукового пучка, в основе которого лежит гравитационный метод измерения. Однако преобразователи большей мощности до сих пор невозможно откалибровать в пределах России.
При проектировании измерителя полной мощности ультразвукового пучка для преобразователей высокоинтенсивного гидроакустического излучения были рассмотрены различные методы:
- калориметрические, основанные на измерении повышения температуры какого-либо материала в результате поглощения им ультразвуковой энергии;
- акустооптические, в основе которых лежит теория Raman-Nath о дифракции света на ультразвуковых волнах (вследствие зависимости скорости света от плотности жидкости и зависимости последней от амплитуды звукового давления);
- методы радиометра, основанные на измерении радиационного давления акустических волн [3].
Несмотря на то, что метод радиометра принят в МЭК в качестве стандартного, выбор был сделан в
пользу калориметрического метода измерения мощности ультразвукового пучка. Акустооптический метод обладает высокой точностью измерений, но оборудование для его производства имеет слишком высокую стоимость. Метод радиометра не подходит для измерения высокомощного излучения, так как при измерении ультразвуковых волн высокой интенсивности происходит нагрев (или вовсе разрушение) мишени, что ведет к нарушению процесса измерения.
Простота и универсальность калориметрического метода являются значимым преимуществом. Применимость для измерения параметров различных аппаратов позволит не обращать внимания на частотный диапазон и на вид ультразвуковой колебательной системы при проведении измерений.
Способ измерения мощности ультразвукового пучка калориметрическим методом заключается в следующем: в сосуд с хорошей теплоизоляцией, заливается фиксированный объем обрабатываемой жидкости при комнатной температуре. Далее в сосуд погружается ультразвуковой излучатель и осуществляется УЗ воздействие в течение определенного времени. Начальная и конечная температуры внутри калориметрического сосуда замеряются термометром. При этом интенсивность ультразвука рассчитывается по формуле:
/ = ^ (1) ts
где I - интенсивность ультразвука, Вт/м2; с - теплоемкость жидкости, Дж/кгК; т - масса жидкости, кг; ДТ - перепад температур, °С; t - время воздействия ультразвука, с; S - площадь излучающей поверхность, м2 [4].
Для расчета акустической мощности следует воспользоваться формулой:
стДТ
Р = (2)
Описанный способ имеет ряд недостатков. К ним относятся инерционность термометра, возможные погрешности при считывании показаний со шкалы термометра, возможность возникновения кавитации, относительно большое время, затрачиваемое на измерения и вычисления, возможность возникновения погрешностей измерений вследствие теплообмена с внешней средой.
Для реализации калориметрического метода необходимо нивелировать источники возможных погрешностей. Самым очевидным действием является уменьшение влияния температуры внешней среды на процесс измерения. Для этого достаточно сделать измерительный бак из двух- трехслойного материала, обладающего низкой теплопроводностью, и поставить всю измерительную систему в специальный ветрозащитный шкаф.
Для уменьшения вероятности возникновения кавитации и пузырьков на поверхности излучателя, необходимо использовать жидкость с меньшим количеством растворенных газов и более высокой температурой кипения, чем у воды. Для этого прекрасно подходит касторовое масло, которое имеет достаточно низкую стоимость, низкую концентрацию растворенных газов и температуру кипения в 313°С.
Проблемы, связанные с процессом считывания и обработки данных, получаемых с термометров, можно решить за счет современных цифровых лабораторных термометров, имеющих высокую скорость измерения, и программного обеспечения, способного посекундно записывать измерительные данные.
Таким образом, можно нивелировать погрешности, которые сильнее всего влияют на измерения мощности ультразвукового пучка в жидкой среде.
Проектируемый измеритель запланирован как эталонный измеритель мощности ультразвукового пучка с предельной измеряемой мощностью до 500 Вт. В дальнейшем, на нем будут проводиться исследования высокомощных гидроакустических полей и испытания ШТО оборудования. Наличие такого измерителя в России позволит проводить качественные испытания медицинских ультразвуковых аппаратов, что, в свою очередь, позволить создавать такие медицинские приборы, не прибегая к помощи зарубежных метрологических организаций. Также наличие такого прибора в России позволит проводить поверки уже введенных в эксплуатацию медицинских приборов, что в свою очередь приведет к повышению качества медицинских услуг.
1. Кузнецов С. И., Лукин Г. С. Модернизированная система поверки преобразователей высокочастотных гидроакустических полей // Наука, техника и образование, 2015. № 12 (18).
2. ГОСТ Р МЭК 62127-3-2010.
3. Авилочкина Н. В. ГОСТ Р МЭК 62127-2-2009. Гидрофоны. Общие требования к методикам калибровки в частотном диапазоне до 40 МГц. Москва: Изд - во ФГУП«СТАНдАрТИНФОРМ», 2011.
4. Bacon D. R. IEEE Trans. Sonics Ultrason. Vol. SU-29, 1982.
Применение цифровых сигнальных процессоров серии BF-504F для устройств измерения гидроакустического давления Лосев Г. И.
Лосев Герман Игоревич /Losev German Igorevich — инженер, студент, кафедра систем автоматического управления и контроля, Национальный исследовательский университет Московский институт электронной техники, г. Москва
Аннотация: в статье рассматриваются способы устранения недостатков устройств измерения гидроакустического давления за счет цифровой обработки сигналов. Описываются требования для реализации фильтров, работающих в режиме реального времени, что является достаточно частой задачей при разработке устройств ЦОС. В соответствии с этими требованиями в статье предлагается использовать процессор BlackFin-504F. В статье также представлен алгоритм фильтрации, реализованный в среде VisualDSP++ и методы оптимизации его работы на процессорах семейства BlackFin, для достижения максимальной производительности.
Ключевые слова: устройства измерения гидроакустического давления, цифровая обработка сигналов, процессоры семейства BlackFin, цифровая фильтрация, оптимизация.
Традиционная конструкция гидроакустических преобразователей хорошо зарекомендовала себя в условиях морских полигонов. Однако со временем требования к этим устройствам начали ужесточаться. Точность, с которой современные гидрофоны измеряют полезный сигнал на фоне намного более сильных помех, стала недостаточной для задач современной гидроакустики. Поскольку эти устройства являются аналоговыми, они имеют ряд недостатков. Обработка получаемых данных с устройства занимает долгое время и требует сложных программ. Сигнал, полученный с такого устройства, необходимо отфильтровать не только от наводимых в индустриальных условиях помех, но и от шумов, связанных с дрейфом параметров аналоговой аппаратуры. В связи с этим на предприятии ВНИИФТРИ было принято решение разработать цифровой модуль для устройств измерения гидроакустического давления, который будет преобразовывать, передавать данные, а также производить предварительную обработку. Помимо очевидного преимущества устранения ошибок фильтрации, связанных с колебаниями пассивных элементов в течение времени и под действием температуры, дрейфом ОУ и т.д., цифровые фильтры способны воплотить характеристики, которые, в лучшем случае, было бы чрезвычайно сложны, или даже невозможно достичь с помощью аналоговой реализации фильтров.
Во многих задачах, связанных с обработкой сигнала, получаемого с гидроакустической головки устройства, необходимо, что бы цифровой фильтр работал в реальном времени. Это накладывает определенные требования на ЦСП (цифровой сигнальный процессор), связанные с частотой квантования сигнала и сложностью фильтра. Ключевым моментом является то, что процессор ЦОС должен заканчивать все вычисления за период квантования, что бы он был готов обработать следующие пакеты данных. Предположим, что нужно обработать аналоговый сигнал с полосой пропускания fa. Это значит, что частота квантования АЦП fs должна быть по меньшей мерей равной 2 fa. Таким образом, все операции вычисления должны быть выполнены за время, равное периоду квантования —. Время вычисления зависит от порядка фильтра и скорости ЦСП. Каждый порядок
fs
требует одной операции сложения и одной операции умножения. Некоторые процессоры для стандартной цифровой обработки сигналов могут выполнять один полный отсчёт фильтра за 13,3 нс. Процессору, для того что бы воплотить фильтр N-го порядка необходимо N+5 инструкций. При реализации фильтра 100-го порядка полное время выполнения составит 1,4 мс. Это соответствует
