田春華，薛儉雷，萬(wàn)永剛，張立平，梁明輝，張淑麗

(齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院)

0 引言

近年來(lái)，超聲波作為醫(yī)療和診斷手段應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的是聚焦超聲場(chǎng)，其頻率一般在2.5-7MHz，曾經(jīng)人們認(rèn)為超聲診斷儀的超聲劑量對(duì)人體和胎兒無(wú)損傷.但七十年代初，Macin-tosh和Davey實(shí)驗(yàn)證實(shí)超聲劑量超過(guò)8.3mW/cm2時(shí)會(huì)增大血液中染色體畸型發(fā)生率，造成胎兒先天生理障礙和畸型.美國(guó)分組實(shí)驗(yàn)表明，孕婦從懷孕到分娩作定期B超檢查比懷孕三個(gè)月以后作定期B超檢查和不檢查胎兒異常比例高，后兩者基本相同［1］.因此，對(duì)超聲場(chǎng)和聲功率的定量測(cè)定非常重要.超聲功率，強(qiáng)度和劑量都有安全區(qū)范圍，現(xiàn)代檢測(cè)這些參數(shù)用輻射壓力法，但不能測(cè)量聚焦聲場(chǎng)，因聚乙烯薄膜具有一定的孔徑，會(huì)產(chǎn)生空間均分效應(yīng).Mach-Zehnder干涉儀系統(tǒng)昂貴，復(fù)雜，實(shí)施困難.而光纖傳感器能克服這個(gè)缺點(diǎn)，且不受電磁干擾，裝置簡(jiǎn)單，耐高溫，應(yīng)變解析率高.當(dāng)聚焦超聲場(chǎng)作用于FBG時(shí)，因幾何長(zhǎng)度變化及彈光效應(yīng)使其折射率產(chǎn)生變化，光纖光柵反射中心波長(zhǎng)產(chǎn)生漂移，解調(diào)出這一波長(zhǎng)漂移量即可得到相應(yīng)的超聲場(chǎng)參數(shù)［2］.

1 圓形單晶片聚焦超聲場(chǎng)的聲壓分布

沿圓形晶片中心軸上的聲壓分布:

p0為圓形晶片表面的聲壓幅值，pm為聲壓幅值分布，D為晶片直徑，λ為超聲波長(zhǎng)，x為聲程，ω為角頻率.

(1)近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度:

聲壓極小值pm=0:

聲壓極大值:

聲壓p與距離x成反比例減弱.超聲場(chǎng)軸向聲壓分布如圖1所示.

圖1 圓形聚焦超聲場(chǎng)軸向聲壓

(2)超聲場(chǎng)聲壓的角分布

圓形活塞輻射器的聲壓除了軸線上的分布不均勻以外，在中心軸以外的聲壓也是不均勻的特點(diǎn)是中心部分出現(xiàn)一主瓣，在主瓣旁邊出現(xiàn)許多旁瓣這種現(xiàn)象叫做換能器的指向性，即聲束的集中程度.說(shuō)明聲壓不但隨距離變化，同時(shí)也隨方向角變化，如圖2所示為單晶片的超聲場(chǎng)的分布圖.

圖2 聚焦超聲場(chǎng)的角分布

2 布拉格光纖光柵對(duì)超聲波的作用原理分析

入射到光纖光柵內(nèi)的光一部分被透射一部分被反射，反射中心波長(zhǎng)遵循光柵方程:

λB為反射中心波長(zhǎng)，neff光柵有效折射率，Λ光柵周期.

利用分段均勻傳輸矩陣法來(lái)分析切址光柵的反射譜.將切址光柵分成M段均勻小光柵，反射系數(shù)ρ為:

SM為反射振幅;RM為方向的入射振幅.F為整個(gè)光柵的傳輸特性矩陣:

且

光柵的傳輸特性矩陣:

neff為有效折射率，Λ為光柵周期.λB為光纖光柵中心波長(zhǎng);ˉδneff為折射率調(diào)制深度，Δz為光柵段的長(zhǎng)度;v=1;L為光柵長(zhǎng)度.單模光纖光柵的折射率分布［3］:

n0是纖芯的本證折射率，Δn是折射率最大調(diào)制系數(shù)，z是沿光纖纖芯的徑向坐標(biāo)，L是光柵長(zhǎng)度.圖3為光纖光柵無(wú)任何物理作用時(shí)的反射譜線.光纖光柵中心波長(zhǎng)隨溫度增加向長(zhǎng)波方向漂移，因此在測(cè)量時(shí)一定要注意溫度［4］，測(cè)量參數(shù):溫度為30℃，中心波長(zhǎng)為1554.8 nm，Λ =530.28 nm，neff=1.4658，Δn=1 × 10-7，L=0.01 m，=1.15×10-4.

圖3 光纖光柵無(wú)任何物理作用的反射譜

超聲波對(duì)光纖光柵作用效果取決于超聲波對(duì)光纖光柵引起的機(jī)械形變.超聲波對(duì)光纖光柵的作用會(huì)引起幾何效應(yīng)和彈光效應(yīng)［5］.幾何效應(yīng)是指引起光纖光柵長(zhǎng)度或者光柵周期的變化，彈光效應(yīng)是指引起光柵有效折射率的變化［5］.各參量變化存在以下關(guān)系［6］:

E=7.2×1010N/m2為光纖光柵的楊氏模量，v=0.17為光纖光柵的泊松比，ΔP是壓應(yīng)變.

上式表明光譜的漂移正比于超聲波對(duì)光纖光柵的壓應(yīng)變?chǔ)，Xu等人已經(jīng)報(bào)道，當(dāng)靜態(tài)壓力大約在70 MPa，光纖光柵的反射率達(dá)到80%，帶寬為0.7 nm，中心波長(zhǎng)為1533 nm時(shí)，為0.003 nm/MPa［7］.這種情況適用于超聲波頻率不太高的情況.實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)圖如圖4.由于人體的軟組織與水的聲學(xué)特性基本一樣，因此，用水作介質(zhì).

圖4 實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)圖

圖5 不同頻率超聲波作用下光纖光柵的反射譜

超聲波頻率在0.5～10 MHz之間譜線漂移量很小，壓應(yīng)變?yōu)?-600με—600 με，如圖 5所示.可見(jiàn)超聲波對(duì)光纖光柵作用后會(huì)引起中心波長(zhǎng)漂移.

3 結(jié)論

通過(guò)分析聚焦超聲場(chǎng)的聲壓特性以及超聲波對(duì)光纖光柵作用原理的分析.給出超聲波對(duì)光纖光柵作用會(huì)引起幾何效應(yīng)和彈光效應(yīng)，即光柵長(zhǎng)度、折射率、以及周期產(chǎn)生變化，導(dǎo)致譜線產(chǎn)生了漂移，并給出了變化關(guān)系式;實(shí)驗(yàn)測(cè)得反射譜，不同頻率超聲波作用下譜線漂移曲線.證實(shí)了，超聲波對(duì)光纖光柵作用會(huì)使中心波長(zhǎng)產(chǎn)生漂移.

［1］ 劉必躍，魯凱.從超聲波對(duì)人體的影響看對(duì)醫(yī)用超聲設(shè)備實(shí)施強(qiáng)檢的必要性［J］.計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2001(5):45-48.

［2］ 汪錢(qián)純，葉險(xiǎn)峰，等.用布拉格光纖光柵對(duì)聚焦超聲場(chǎng)的檢測(cè).傳感技術(shù)學(xué)報(bào)［J］，2005，18(1):171-176.

［3］ 曾山，葉險(xiǎn)峰.超聲波作用下的光纖布拉格光柵頻譜分析.江南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)［J］，2007，6(3):293-295.

［4］ 田春華，勵(lì)強(qiáng)華，郭炳霞，等.弱雙折射光纖布拉格光柵反射偏振對(duì)溫度響應(yīng)特性的研究［J］.光子學(xué)報(bào)，2012，41(2):139-143.

［5］ 張海燕，孫修立，石志東，等.光纖布拉格傳感器蘭姆波檢測(cè)的反射譜分析［J］.2009，28(5):605-609.

［6］ Pavel Fomitchov，Sridhar Krishnaswamy，Member Spie.Response of a fiber Bragg grating ultrasonic sensor［J］.Opt.Eng，2003，42(4):956-963.

［7］ Xu M G，Reekie L，Chow Y T，et al.Optical in-fiber grating high-pressure sensor［J］.Electron Lett，1993，29(4):398-399.