基于中間層原理楊氏模量測量系統

江佩師　張穎　白翠珍　李琪琛　柯勇

摘 要：闡述了基于聲波通過中間層聲波透過規律測量楊氏模量的理論和方法。通過建立合理的中間層進行聲波透射實驗，使用虛擬儀器調整聲波信號發生器的頻率，依據接收器接收到的聲強變化確定聲波在材料中的半波長，從而得出聲波在中間層的行波速度，計算出材料的楊氏模量，測量結果表明，此測量系統可以滿足測量的要求，并在一定程度上克服了傳統聲速法時間差的信號處理點容易引入誤差的缺點。

關鍵詞：楊氏模量；組織；中間層；虛擬儀器

中圖分類號：Q632 文獻標識碼：A

楊氏模量可以反映固體抵抗形變的能力，是選擇構件的重要參考指標，生物組織的楊氏模量很大程度依賴于組織的構成，病變常引起組織的構成發生改變，楊氏模量在醫學診斷領域也發揮重要作用。傳統聲速法測量楊氏模量系統，是通過記錄超聲波在試樣中的傳播時差得到聲速，再由公式計算得到楊氏模量。測量系統復雜，常需要使用耦合劑，操作難度大，且在時差信號的處理上容易引入誤差，因而測量精度較低。中間層聲速法楊氏模量測量系統，是利用虛擬儀器技術，用計算機模擬傳統儀器的控制面板，通過藍牙技術控制半真空隔絕環境中的音頻信號發生設備，創造出垂直進入材料的穩定波面，排除反射聲波的影響，對接受到的信號進行采集，并且利用計算機強大的軟件功能實現信號數據的分析、運算處理，從而得出楊氏模量的方法。

1 系統總體設計

1.1 控制部分：由計算機以及相應軟件構成，PC中的聲卡已經是一個標準配置，通過編寫程序，可以讓PC通過聲卡可輸出各種形式的波形。信號發生器軟件的設置為正弦波，輸出波形頻率范圍為200Hz～4MHz，最小步進值為5Hz，其測試界面如圖1所示。

1.2 信號發射部分：由電腦通過藍牙技術控制的聲波發射裝置產生聲波，保持聲源發生裝置的膜片與暖壺開口平行，使聲波在真空外殼空間內達到平衡時，中空外殼出口處形成穩定垂直透射波面。

1.3 中間層系統：待測材料充當中間層，試驗中確保中間層前后平面平行，并使前后媒介完全隔離，試驗所用中間層厚度d=20mm，密度ρ=1.10g/cm3，前后媒介為標準大氣壓，室溫條件下空氣。

1.4 信號接收部分：將拾音器固定在一定位置，設置軟件相關參數，選擇探頭A；采樣頻率44100Hz，采樣位數16位；頻譜分析儀設置X軸刻度為頻率（分辨率43.0664Hz）；Y軸刻度設置為絕對模式dBSPL，幀間處理為峰值保持（永久）。

2 測量過程及結果處理

2.1 固定信號發射部分，使圓膜與開口平行，使用D=20mm的硅橡膠封閉暖壺口，將信號采集設備固定于一定位置。

2.2 通過PC軟件控制信號發生器，發射垂直測試材料平行面的200Hz～4MHz的等梯度正弦波，在頻譜分析儀得到聲強頻率分布曲線的第一個顯著波峰，取1679.6Hz～2497.9Hz部分的聲強數值，在相同條件下重復實驗，作頻率（Hz）與聲強（dB）曲線。

2.3 對數據進行分析，得到峰值聲強時頻率始終為2153.4Hz，由中間層原理可知當中間層厚度為半波長的整數倍時，聲波可以透過，此時：d=λ/2，λ=4.0cm，根據V=fλ得到材料中聲速：V=4.0×2153.4=8613.6cm/s；已知樣品：ρ=1.10g/cm2；根據E=ρ·v2得到楊氏模量：E=8.16MPa。

3 結果分析

得出結果E=8.16MPa，與委托檢測中心應用楊氏模量測試儀器（SCT-57（232）微機控制電子式萬能試驗機，GB/T1040.1-2006）測得數值相比，相對誤差為1.7%，提高頻譜分析儀的頻率分辨率，減小信號發生器的進步值，可以更精確的得出測試材料的楊氏模量，該系統可以用于材料楊氏模量的測量與離體組織彈性功能的臨床病理學測定。

參考文獻

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