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液体中高强度聚焦超声场及其测量


□ 寿文德 夏荣民 段世梅 卜书中

  摘要 基于已知文献,文章介绍了液体中高强度聚焦超声场的基本性质,包括传播、频谱、吸收、聚焦、辐射力等特性,描述了它的物理图景和测量方法。
  关键词 声学,高强度聚焦超声,声场分析,吸收,辐射力,测量
  
  1 引言
  
  广泛应用的线性声学理论,只适用于小振幅条件下。它是用对流体动力学和物态方程作线性近似后导出的线性方程来描述的。但在大振幅波条件下,声波的传播特性受到一系列的非线性效应的强烈影响,这些非线性效应是由波动幅度决定并用流体动力学方程中的非线性项来描述的。1971年,Ro-zenberg L D主编了由六位学者合作的专著,总结了对高强度声场的研究成果;1992年,钱祖文发表了《非线性声学》专著。朱哲民、杜功焕、龚秀芬等对此做了许多研究。他们的工作为研究高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound,简称HIFU)场提供了理论指导。
  早在半个世纪前,高强度聚焦超声已在工业生产、生物医学实验研究中得到初步应用。直到上世纪90年代末,才在医学领域中取得突破,成为一种新型无创手术治疗的技术,在我国获得了较快的发展。我国制订了世界上第一个HIFU声功率和声场测量的国家标准。该标准全文已经成为英国国家物理实验室(NPL)技术文件的附录之一,并已递交国际电工委员会(IEC)87技术委员会(TC87)。本文基于已有著作和论文等,介绍液体中HIFU超声场的基本性质,描述其物理图景和测量方法。
  
  2 有限振幅聚焦球面波和柱面波的传播
  
  液体中的高强度聚焦超声场,属于通常所说的大振幅波或有限振幅波场。从定性分析上看,类似于大振幅平面波,具有许多相同的非线性现象,例如正弦波畸变,波阵面间断的发生,锯齿波和冲击波的形成,谐波,声饱和现象,声吸收的显著增加等。但从定量描述上,由于它们的传播路径很不相同,因此在非线性畸变的增长速率上的差异特别明显。
  
  注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
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