基于中间层原理杨氏模量测量系统

江佩师　张颖　白翠珍　李琪琛　柯勇

摘 要：阐述了基于声波通过中间层声波透过规律测量杨氏模量的理论和方法。通过建立合理的中间层进行声波透射实验，使用虚拟仪器调整声波信号发生器的频率，依据接收器接收到的声强变化确定声波在材料中的半波长，从而得出声波在中间层的行波速度，计算出材料的杨氏模量，测量结果表明，此测量系统可以满足测量的要求，并在一定程度上克服了传统声速法时间差的信号处理点容易引入误差的缺点。

关键词：杨氏模量；组织；中间层；虚拟仪器

中图分类号：Q632 文献标识码：A

杨氏模量可以反映固体抵抗形变的能力，是选择构件的重要参考指标，生物组织的杨氏模量很大程度依赖于组织的构成，病变常引起组织的构成发生改变，杨氏模量在医学诊断领域也发挥重要作用。传统声速法测量杨氏模量系统，是通过记录超声波在试样中的传播时差得到声速，再由公式计算得到杨氏模量。测量系统复杂，常需要使用耦合剂，操作难度大，且在时差信号的处理上容易引入误差，因而测量精度较低。中间层声速法杨氏模量测量系统，是利用虚拟仪器技术，用计算机模拟传统仪器的控制面板，通过蓝牙技术控制半真空隔绝环境中的音频信号发生设备，创造出垂直进入材料的稳定波面，排除反射声波的影响，对接受到的信号进行采集，并且利用计算机强大的软件功能实现信号数据的分析、运算处理，从而得出杨氏模量的方法。

1 系统总体设计

1.1 控制部分：由计算机以及相应软件构成，PC中的声卡已经是一个标准配置，通过编写程序，可以让PC通过声卡可输出各种形式的波形。信号发生器软件的设置为正弦波，输出波形频率范围为200Hz～4MHz，最小步进值为5Hz，其测试界面如图1所示。

1.2 信号发射部分：由电脑通过蓝牙技术控制的声波发射装置产生声波，保持声源发生装置的膜片与暖壶开口平行，使声波在真空外壳空间内达到平衡时，中空外壳出口处形成稳定垂直透射波面。

1.3 中间层系统：待测材料充当中间层，试验中确保中间层前后平面平行，并使前后媒介完全隔离，试验所用中间层厚度d=20mm，密度ρ=1.10g/cm3，前后媒介为标准大气压，室温条件下空气。

1.4 信号接收部分：将拾音器固定在一定位置，设置软件相关参数，选择探头A；采样频率44100Hz，采样位数16位；频谱分析仪设置X轴刻度为频率（分辨率43.0664Hz）；Y轴刻度设置为绝对模式dBSPL，帧间处理为峰值保持（永久）。

2 测量过程及结果处理

2.1 固定信号发射部分，使圆膜与开口平行，使用D=20mm的硅橡胶封闭暖壶口，将信号采集设备固定于一定位置。

2.2 通过PC软件控制信号发生器，发射垂直测试材料平行面的200Hz～4MHz的等梯度正弦波，在频谱分析仪得到声强频率分布曲线的第一个显著波峰，取1679.6Hz～2497.9Hz部分的声强数值，在相同条件下重复实验，作频率（Hz）与声强（dB）曲线。

2.3 对数据进行分析，得到峰值声强时频率始终为2153.4Hz，由中间层原理可知当中间层厚度为半波长的整数倍时，声波可以透过，此时：d=λ/2，λ=4.0cm，根据V=fλ得到材料中声速：V=4.0×2153.4=8613.6cm/s；已知样品：ρ=1.10g/cm2；根据E=ρ·v2得到杨氏模量：E=8.16MPa。

3 结果分析

得出结果E=8.16MPa，与委托检测中心应用杨氏模量测试仪器（SCT-57（232）微机控制电子式万能试验机，GB/T1040.1-2006）测得数值相比，相对误差为1.7%，提高频谱分析仪的频率分辨率，减小信号发生器的进步值，可以更精确的得出测试材料的杨氏模量，该系统可以用于材料杨氏模量的测量与离体组织弹性功能的临床病理学测定。

参考文献

[1]杜功焕，等.声学基础[M].南京大学出版社，2001.

[2]陈月辉.声学功能橡胶[J].特种橡胶制品，2004（01）.

[3]周晓明.三种杨氏模量测量方法比较[J].实验科学与技术，2011（06）.

[4]陈映纯.基于虚拟仪器的杨氏模量實验中共振频率的测量[J].物理实验，2012（05）.

[5]姜镔.实时剪切波弹性成像技术对成年人肝脏杨氏模量正常值的研究[J].生物医学工程与临床，2013（06）.

[6]赵子卓.超声弹性成像基本原理及技术[J].中国医疗器械信息，2008（04）.