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液體中高強度聚焦超聲場及其測量


壽文德 夏榮民 段世梅 卜書中

  摘要 基于已知文獻,文章介紹了液體中高強度聚焦超聲場的基本性質,包括傳播、頻譜、吸收、聚焦、輻射力等特性,描述了它的物理圖景和測量方法。
  關鍵詞 聲學,高強度聚焦超聲,聲場分析,吸收,輻射力,測量
  
  1 引言
  
  廣泛應用的線性聲學理論,只適用于小振幅條件下。它是用對流體動力學和物態方程作線性近似后導出的線性方程來描述的。但在大振幅波條件下,聲波的傳播特性受到一系列的非線性效應的強烈影響,這些非線性效應是由波動幅度決定并用流體動力學方程中的非線性項來描述的。1971年,Ro-zenberg L D主編了由六位學者合作的專著,總結了對高強度聲場的研究成果;1992年,錢祖文發表了《非線性聲學》專著。朱哲民、杜功煥、龔秀芬等對此做了許多研究。他們的工作為研究高強度聚焦超聲(high intensity focused ultrasound,簡稱HIFU)場提供了理論指導。
  早在半個世紀前,高強度聚焦超聲已在工業生產、生物醫學實驗研究中得到初步應用。直到上世紀90年代末,才在醫學領域中取得突破,成為一種新型無創手術治療的技術,在我國獲得了較快的發展。我國制訂了世界上第一個HIFU聲功率和聲場測量的國家標準。該標準全文已經成為英國國家物理實驗室(NPL)技術文件的附錄之一,并已遞交國際電工委員會(IEC)87技術委員會(TC87)。本文基于已有著作和論文等,介紹液體中HIFU超聲場的基本性質,描述其物理圖景和測量方法。
  
  2 有限振幅聚焦球面波和柱面波的傳播
  
  液體中的高強度聚焦超聲場,屬于通常所說的大振幅波或有限振幅波場。從定性分析上看,類似于大振幅平面波,具有許多相同的非線性現象,例如正弦波畸變,波陣面間斷的發生,鋸齒波和沖擊波的形成,諧波,聲飽和現象,聲吸收的顯著增加等。但從定量描述上,由于它們的傳播路徑很不相同,因此在非線性畸變的增長速率上的差異特別明顯。
  
  注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文
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