Осипов Л.В. - Ультразвуковые диагностические приборы, часть 2 (1035678), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Эффективное значение напряжения шума в этомслучае вычисляется следующим образом:Uш =∞4kT ∫ R ( f )df0Приведенные соотношения можно применить для оценки тепловых шумов пьезопреобразователя. На основе анализа пьезопреобразователя, как четырехполюсника, можно вычислитьR(f) [5]. Расчет R(f) для пьезопреобразователей достаточно сложен, особенно, в случаях, когдапомимо демпфера пьезопреобразователь содержит один или несколько согласующих слоев иэлектрические цепи, подключенные к выходу пьезопреобразователя для обеспечения необходимой формы частотной характеристики.Задача несколько упрощается, если учесть, что полоса частот приемного тракта, выходкоторого соединен с выходом пьезопреобразователя, имеет конечную ширину, согласованную сполосой частот сигнала (см.
предыдущий раздел). Поэтому выражение для эффективного значения напряжения шума на выходе пьезопреобразователя можно представить в видеUш =4kT R э ∆ f ,где Δ f – эффективная полоса пропускания приемного тракта, а Rэ – эквивалентное сопротивление шумов в полосе частот приемного тракта:Rэ =1 ∞∫ R ( f )df∆f 0Очевидно, что пределы интегрирования в приведенном выражение можно ограничить интервалом, близким по величине эффективной полосе пропускания Δ f.Оценим значение шумов пьезопреобразователя для простого случая, когда в пьезопреобразователе есть только демпфер и нет согласующих слоев. На Рис.6 показан характер зависимости нормированной функции R(f)/R0 от параметра k1=z1/z0, при k2=z2/z0=0,05 (z0, z1 и z2 - соответственно акустические сопротивления пьезопреобразователя, среды и демпфера), R0 –актив-ное выходное сопротивление на основной (антирезонансной) частоте. Приведенные графикисвидетельствуют о том, что R(f) и, следовательно, W(f) существенно меняются с частотой и поэтой причине шум пьезопреобразователя не является белым шумом, что следует учитывать припроектировании оптимального приемника.Для того, чтобы определить R(f) в соответствии с зависимостью, представленной на Рис.6,необходимо вычислить величину R0 с помощью соотношения [7]:R0 =24e,2 2(2π f 0 ) ε z0 A0 (k1 + k 2)куда входят следующие характеристики пьезопреобразователя: е – пьезоэлектрическая постоянная, f0 – антирезонансная частота, ε – диэлектрическая постоянная, z0 – акустическое сопротивление пьезопреобразователя, А0 – площадь пластины.В качестве примера определим R0 для пластины из пьезокерамики ЦТС-19, наиболее частоприменяющейся при изготовление пьезопреобразователей.
Типичные значения R0 в зависимости от k1 при k2 = 0,05 для пьезокерамических преобразователей в форме дисков различногодиаметра Д, колеблющихся по толщине и работающих в воде, представлены в таблице:f0 = 3,5 МГцД (мм)k1 = 0,057,53001015015752037f0 = 5 МГцk1 = 0,2k1 = 0,05100150508025301518f0 = 7,5 Мгцk1 = 0,2k1 = 0,0547702632121578k1 = 0,222125,53Интегрируя зависимости, представленные на Рис.6, можно определить Rэ для выбраннойотносительной полосы пропускания Δf/f0Δf/f0 = 0,3k1 = 0,2Rэ = 0,5 R0Δf/f0 = 0,5k1 = 0,05k1 = 0,2Rэ = 0,3 R0Rэ = 0,4 R0k1 = 0,05Rэ = 0,2 R0В качестве примера рассчитаем эффективное напряжение шумов приемной пьезопластиныдиаметром 15 мм для полосы пропускания Δf = 1,75 МГц на частоте 3,5 МГцпри k1 = 0,2 и Т = 290°:Uшэ ≈4kTR э ∆ f = 0,49мкВНетрудно показать что, для более высоких частот эффективное напряжение шума пьезопреобразователя уменьшается.На основе этого примера и других расчетов видно, что напряжение шумов пьезопреобразователя достаточно мало и в большинстве практических случаев меньше приведенного ковходу шумового напряжения приемного тракта.
Так для транзисторных малошумящих каскадовс полосой пропускания∆ f = 1,5 МГц типичные значения шумового напряжения Uш = 2 - 4мкВ). Как уже говорилось в первом разделе, для полной оценки влияния шумов на характеристики ультразвуковой системы необходимо учитывать характеристики шумов приемника испектральные характеристики эхо-сигнала. При этом полоса приемного тракта может быть выбрана таким образом, чтобы обеспечить оптимальное выделение сигналов на фоне шумов.
Учитывая узкополосность шумов пьезопреобразователя влияние их дополнительно снижается засчет перестройки полосы приемника в область частот ниже основной (антирезонансной) частоты при приеме сигналов с максимальных глубин, когда происходит смещение спектра отраженного сигнала в область более низких частот, что обусловлено частотной зависимостью коэффициента поглощения в биологической среде.Количественные соотношения между шумами пьезопреобразователя и шумами приемного тракта определяются с помощью коэффициента шума приемного тракта.
На Рис.7 приведена эквивалентная схема, в которойZ - выходной импеданс пьезопреобразователя Z =R(f)+jX(f), Zвх – входной импеданс приемника, Zн-нагрузка приемника. Из теории цепей известно, что наибольшая мощность источником, т.е. пьезопреобразователем, отдается в нагрузку, (навход приемника), если импеданс нагрузки комплексно сопряжен с импедансом источника:Zвх = R(f)-jX(f)В силу явно выраженной частотной зависимости активной составляющей импеданса пьезопреобразователя R(f), входное сопротивление приемника целесообразно выбирать близким повеличине эквивалентному сопротивлению Rэ. Что касается X(f), то ввиду того, что реактивнаясоставляющая пьезопреобразователя имеет емкостной характер, последовательно со входомприемника обычно включается индуактивность.Как известно, коэффициент шума приемника определяет отношение мощности шумов навыходе приемника, обусловленной шумами источника, в данном случае пьезопреобразователя- Ршэ и собственными шумами приемника - Рсш, к выходной мощности, обусловленной толькошумами источника+F = Ршэ Рсш = 1 + РсшРшэРшэКоэффициент шума учитывает прирост шумов на выходе приемника, связанный с его собственными шумами и в основном зависит от сопротивления источника Z и входного сопротивленияприемника Zвх, но не зависит от выходного сопротивления приемника и сопротивления нагрузки Zн.Если реактивную составляющую импеданса пьезопреобразователя в результате согласования можно не учитывать, а активная составляющая входного импеданса приемника - Rвх, тоэнергетический спектр мощности шумов пьезопреобраэователя на входе приемника равен [3]:R вх)W шэ ( f ) = 4kTR ( f ) (R вх + R ( f )2с учетом деления шумового напряжения, приходящегося на единицу полосы, на делителе из последовательно включенных сопротивлений R(f) и Rвх (см.
Рис.7).Энергетический спектр собственных шумов приемника (приведенный ко входу)Wcш = 4kTR сшгде Rсш - шумовое сопротивление приемника, определяющее его собственные шумы и которое вобщем случае может быть больше него Rвx.Если известна передаточная функция приемника G(f), то мощности шумов на выходе приемника, обусловленные шумами пьеэопреобразователя и собственными шумами приемника,равны соответственно [2]:∞2∞2Pшэ = ∫ Wшэ ( f ) G ( f ) df = 4kT R вх∫ G( f )002R( f )df ,2(Rвх + R ( f ))∞2Pсш = 4kT R сш ∫ G ( f ) df0Используя приведенные выражения можно определить значение коэффициента шума приразличных характеристиках пьезопреобразователя и приемника.Энергетические характеристики и динамический диапазон сигналов в приемномтракте.Для того, чтобы правильно построить приемный тракт, необходимо оценить диапазон изменения сигналов и уровень шумов на входе приемного тракта. Характеристики шумов анализировались в предыдущем разделе.
Максимальный уровень сигнала можно определить, исходяиз анализа акустической мощности, излучаемой датчиком в биологические ткани, используяданные международного стандарта МЭК 1157[10], определяющего требования по безопасности, предъявляемые к ультразвуковым диагностическим приборам.Указанный стандарт среди прочих характеристик регламентирует максимальную в пространстве, среднюю во времени интенсивность ультразвукового излучения в биологическиеткани ISPTA, где SPTA- spatial peak, temporal average.В соответствии со стандартом МЭК изготовитель ультразвуковых диагностических приборов должен стремиться обеспечивать во всех режимах работы прибора предельный уровеньуказанной интенсивности ISPTA не более величины 100 мВт/см².Используя это предельное значение интенсивности и зная характеристики генератора зондирующих импульсов, а также характеристики пьезопреобразователя, можно рассчитать максимальный уровень эхо-сигнала, полученного в результате отражения от неоднородностей в биологических тканях.Оценим сначала максимальную мощность зондирующего ультразвукового сигнала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
