專利名稱：一種在溶液中消散過程對微泡群尺寸分布進(jìn)行估計的方法
一種在溶液中消散過程對微泡群尺寸分布進(jìn)行估計的方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于空化微泡的尺寸檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種空化微泡群在溶液中消散過程對對微泡群尺寸分布進(jìn)行估計的方法。
背景技術(shù)：
空化是指液體中的空化核，在某些能量作用形式下(如超聲、微波、激光等)所表現(xiàn)出的振蕩、膨脹、收縮以至內(nèi)爆等一系列動力學(xué)過程。其中空化核的存在是液體空化的先決條件，它包括1.液體中已溶解的氣體分子(如水中溶解的空氣)；2.前一次空化后剩余的空化核；3.液體中粒子的表面粗糙程度；4.為降低空化閾值人為加入的空化核(如生物醫(yī)學(xué)超聲治療中加入的可相變納米微粒子)。水利機(jī)械、水翼、舵、水中兵器等都會遇到空化問題，致使材料剝蝕，機(jī)械效率降低，并產(chǎn)生振動和噪聲。但在生物醫(yī)學(xué)、水利鉆孔和工業(yè)清洗作業(yè)中，也可發(fā)揮空化的優(yōu)點。
在上述空化過程中產(chǎn)生的空化微泡的尺寸被視為衡量空化反應(yīng)場的重要參數(shù)之一，因此，研究空化微泡的尺寸在空化基礎(chǔ)研究中具有很重要的價值。然而空化過程的隨機(jī)性導(dǎo)致了空化微泡尺寸較難測定，已有研究表明國內(nèi)外學(xué)者大多通過光學(xué)方法在透明物質(zhì)中研究了空化微泡尺寸的估計方法，但是卻從根本上限制了這些方法對非透明物體內(nèi)產(chǎn)生的空化微泡的尺寸分布的測定。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題在于提供一種在溶液中消散過程對微泡群尺寸分布進(jìn)行估計的方法通過聲學(xué)檢測手段對在非透明物質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的空化微泡群的尺寸分布進(jìn)行估計。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
一種在溶液中消散過程對微泡群尺寸分布進(jìn)行估計的方法，包括以下步驟:
I)利用源能量在溶液中產(chǎn)生空化微泡，在源能量停止作用的同時，通過超聲診斷儀監(jiān)控空化微泡群的消散過程，獲取溶液中微泡群的背向散射強(qiáng)度隨時間變化的信息，繪制時間強(qiáng)度曲線，其中超聲診斷儀的檢測換能器采用平面波發(fā)射接收方式來獲取信息；
2)根據(jù)微泡的半徑隨時間的變化關(guān)系，得到初始半徑條件下微泡的半徑-時間關(guān)系，獲得給定初始半徑的微泡完全消散的時間；
3)在時間強(qiáng)度曲線的幅度與感興區(qū)域中的微泡濃度成線性關(guān)系的前提下，步驟I)獲取的微泡群的時間強(qiáng)度曲線表征了空化微泡群的濃度，時間強(qiáng)度曲線中其每一段幅度的降低是由于某些尺寸的微泡數(shù)量的減少導(dǎo)致的，而該部分減少的微泡的尺寸由步驟2)獲得的微泡完全消散時間所決定；通過微泡群的時間強(qiáng)度曲線、微泡完全消散時間估計得到微泡群在其消散初始時刻的尺寸分布，即源能量停止作用時刻產(chǎn)生的空化泡群的尺寸分布。
所述的源能量為超聲、微波、激光中的一種或幾種，源能量以一定強(qiáng)度一定時間作用于溶液，在溶液中產(chǎn)生空化微泡群。
所述的檢測換能器為單陣元換能器、一維線陣換能器或二維面陣換能器。
所述在獲取時間強(qiáng)度曲線時采用如下時序控制:
I)檢測換能器在未經(jīng)源能量輻照過的溶液中對背景基準(zhǔn)信號進(jìn)行采集；
2)源能量以一定時間一定能量對溶液進(jìn)行輻射，在能量集中區(qū)域產(chǎn)生空化微泡；
3)超聲診斷儀的檢測換能器在源能量停止作用后，即刻開始對空化微泡群進(jìn)行整體監(jiān)控；超聲診斷儀的監(jiān)控在空間上包含整個空間變化的微泡群，在時間上涵蓋空化微泡群的整個消散過程。
所述獲取時間強(qiáng)度曲線是采用如下方法:
I)將超聲診斷儀整個監(jiān)控過程得到的數(shù)據(jù)按時間提取為N幀射頻數(shù)據(jù)從非基準(zhǔn)背景信號的第一幀開始，讀出檢測換能器在采集深度上的各點數(shù)據(jù)；
2 )將一幀內(nèi)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波以濾除直流信號，再將濾波后的數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)背景信號進(jìn)行解相關(guān)，去除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電噪聲，突顯空化微泡背向散射信號；
3)將所有數(shù)據(jù)點的平方相加，得到這一幀空化微泡群的背向散射強(qiáng)度；此后逐幀循環(huán)計算，得到監(jiān)控體積內(nèi)空化微泡群的背向散射強(qiáng)度隨時間的變化，繪制時間強(qiáng)度曲線。
對于二維面陣換能器，一幀指的是二維面陣換能器在一次平面波發(fā)射接收后得到的三維數(shù)組組成的體數(shù)據(jù)幀。
對于單一氣體系統(tǒng)，通過解單一氣體系統(tǒng)的消散方程得到微泡的半徑隨時間的變化關(guān)系，得到在一定初始半徑條件下微泡的半徑-時間關(guān)系，由此得到某給定初始半徑為Rtl的微泡的完全消散時間；
所述單一氣體系統(tǒng)的消散方程為:
權(quán)利要求
1.一種在溶液中消散過程對微泡群尺寸分布進(jìn)行估計的方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)利用源能量在溶液中產(chǎn)生空化微泡，在源能量停止作用的同時，通過超聲診斷儀監(jiān)控空化微泡群的消散過程，獲取溶液中微泡群的背向散射強(qiáng)度隨時間變化的信息，繪制時間強(qiáng)度曲線，其中超聲診斷儀的檢測換能器采用平面波發(fā)射接收方式來獲取信息； 2)根據(jù)微泡的半徑隨時間的變化關(guān)系，得到初始半徑條件下微泡的半徑-時間關(guān)系，獲得給定初始半徑的微泡完全消散的時間； 3)在時間強(qiáng)度曲線的幅度與感興區(qū)域中的微泡濃度成線性關(guān)系的前提下，步驟I)獲取的微泡群的時間強(qiáng)度曲線表征了空化微泡群的濃度，時間強(qiáng)度曲線中其每一段幅度的降低是由于某些尺寸的微泡數(shù)量的減少導(dǎo)致的，而該部分減少的微泡的尺寸由步驟2)獲得的微泡完全消散時間所決定；通過微泡群的時間強(qiáng)度曲線、微泡完全消散時間估計得到微泡群在其消散初始時刻的尺寸分布，即源能量停止作用時刻產(chǎn)生的空化泡群的尺寸分布。
2.如權(quán)利要求1所述的在溶液中消散過程對微泡群尺寸分布進(jìn)行估計的方法，其特征在于，所述的源能量為超聲、微波、激光中的一種或幾種，源能量以一定強(qiáng)度一定時間作用于溶液，在溶液中產(chǎn)生空化微泡群。
3.如權(quán)利要求1所述的在溶液中消散過程對微泡群尺寸分布進(jìn)行估計的方法，其特征在于，所述的檢測換能器為單陣元換能器、一維線陣換能器或二維面陣換能器。
4.如權(quán)利要求1所述的在溶液中消散過程對微泡群尺寸分布進(jìn)行估計的方法，其特征在于，在獲取時間強(qiáng)度曲線時采用如下時序控制: 1)檢測換能器在未經(jīng)源能量輻照過的溶液中對背景基準(zhǔn)信號進(jìn)行采集； 2)源能量以一定時間一定能量對溶液進(jìn)行輻射，在能量集中區(qū)域產(chǎn)生空化微泡； 3)超聲診斷儀的檢測換能器在源能量停止作用后，即刻開始對空化微泡群進(jìn)行整體監(jiān)控；超聲診斷儀的監(jiān)控在空間上包含整個空間變化的微泡群，在時間上涵蓋空化微泡群的整個消散過程。
5.如權(quán)利要求4所述的在溶液中消散過程對微泡群尺寸分布進(jìn)行估計的方法，其特征在于，獲取時間強(qiáng)度曲線是采用如下方法: 1)將超聲診斷儀整個監(jiān)控過程得到的數(shù)據(jù)按時間提取為N幀射頻數(shù)據(jù)從非基準(zhǔn)背景信號的第一幀開始，讀出檢測換能器在采集深度上的各點數(shù)據(jù)； 2)將一幀內(nèi)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波以濾除直流信號，再將濾波后的數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)背景信號進(jìn)行解相關(guān)，去除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電噪聲，突顯空化微泡背向散射信號； 3)將所有數(shù)據(jù)點的平方相加，得到這一幀空化微泡群的背向散射強(qiáng)度；此后逐幀循環(huán)計算，得到監(jiān)控體積內(nèi)空化微泡群的背向散射強(qiáng)度隨時間的變化，繪制時間強(qiáng)度曲線。
6.如權(quán)利要求5所述的在溶液中消散過程對微泡群尺寸分布進(jìn)行估計的方法，其特征在于，對于二維面陣換能器，一幀指的是二維面陣換能器在一次平面波發(fā)射接收后得到的三維數(shù)組組成的體數(shù)據(jù)幀。
7.如權(quán)利要求1所述的在溶液中消散過程對微泡群尺寸分布進(jìn)行估計的方法，其特征在于，對于單一氣體系統(tǒng)，通過解單一氣體系統(tǒng)的消散方程得到微泡的半徑隨時間的變化關(guān)系，得到在一定初始半徑條件下微 泡的半徑-時間關(guān)系，由此得到某給定初始半徑為R0的微泡的完全消散時間；
8.如權(quán)利要求1所述的在溶液中消散過程對微泡群尺寸分布進(jìn)行估計的方法，其特征在于，當(dāng)溶液中溶解的氣體與空化微泡中包含的氣體為兩種氣體時，通過解由兩種單一氣體系統(tǒng)的消散方程及多氣體分量的微泡在溶液中的平衡方程組成的微分方程組，得到在某給定初始半徑及消散初始時微泡中兩種氣體體積比等初始條件下多氣體分量微泡的完全消散時間； 考慮兩種氣體的對流擴(kuò)散，用以下三個方程表示:
9.如權(quán)利要求1所述的在溶液中消散過程對微泡群尺寸分布進(jìn)行估計的方法，其特征在于，微泡群在其消散初始時刻的尺寸分布的估計為: 從h至t2時間內(nèi)時間強(qiáng)度曲線的幅度降低了 x%，則x%的微泡分布于初始半徑為Rl至R2的范圍內(nèi)，而Rl和R2的計算分別由h和t2代入氣體消散方程得到；將時間強(qiáng)度曲線上整個監(jiān)控時間細(xì)分，就得到相應(yīng)的半徑細(xì)分后的微泡尺寸分布。
10.如權(quán)利要求1所述的在溶液中消散過程對微泡群尺寸分布進(jìn)行估計的方法，其特征在于，在時間強(qiáng)度曲線的時間軸上尋找各個初始半徑微泡完全消散的時間點，然后在時間強(qiáng)度曲線上尋找這些時間點所對應(yīng)的曲線幅度，并將時間強(qiáng)度曲線上相鄰兩完全消散時間點上的幅度相減，得到微 泡群的初始半徑分布圖。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在溶液中消散過程對微泡群尺寸分布進(jìn)行估計的方法，通過診斷超聲儀上二維面陣換能器以平面波發(fā)射接收方式獲取溶液中源能量輻照體積內(nèi)微泡群的背向散射強(qiáng)度隨時間變化的信息，即時間強(qiáng)度曲線(TIC)。通過獲取的微泡群消散信息，即時間強(qiáng)度曲線(TIC)及計算得到的某一初始半徑微泡的完全消散時間，聯(lián)合得到空化微泡群消散初始時刻的尺寸分布，也即源能量停止作用時產(chǎn)生的空化微泡群的尺寸分布。本發(fā)明實現(xiàn)了以某種能量作用形式(如超聲、微波、激光等)或這些能量形式的聯(lián)合作用在非透明物質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的空化微泡群消散過程對微泡群尺寸分布的估計。
文檔編號G01N15/02GK103175761SQ201310079838
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月13日
發(fā)明者萬明習(xí), 徐姍姍 申請人:西安交通大學(xué)