声辐射器

声辐射器（通用7篇）

声辐射器 篇1

声辐射器的远声场特性由指向性和声压级来体现,指向性和声压级取决于声辐射器的形状、口面直径和输入信号频率[1]。由于火箭强噪声模拟装置声道单元为筒状,而圆筒内的声波可近似看成平面波,因此本文借鉴活塞式声源指向性和声压级函数[2],建立被截圆形出口声辐射器远声场特性计算模型,分析比较声辐射器口面形状对远声场特性的影响,为小型化火箭强噪声模拟装置设计提供理论指导。

1不同出口形状声辐射器远声场特性计算模型

1.1圆形出口声辐射器远声场特性计算模型圆形出口声辐射器远场声压方程为[3]

方括号内因数为圆形口面声辐射器指向性函数,即

式(2)中:J1为第1类1阶贝塞尔函数[4],

1.2被截圆形出口声辐射器远声场特性计算模型

在工程实际中,为了便于阵元间的排列、组合和充分利用空间,实现强噪声试验装置小型化理念,需要将圆形口面声辐射器截去一部分作为组阵单元。因此,需要研究被截圆形口面声辐射器的远声场特性。为了便于计算被截圆形口面声辐射器的远声场特性,将其口面分为三角形和扇形两部分,如图1所示。

设被截圆形口面声辐射器口面半径为a,圆心到被截边的距离为d,口面上每一点都向外辐射声波。取声辐射器口面中心为坐标原点,口面所在平面为xoy平面。声场相对于穿过声辐射器中心Z轴是不对称的,远声场中的测量点M,离开原点的距离为r,M点在xoy面上的投影M'的极角为Ф。测量点在距口面中心r与口面法线成θ角处M点,如图2所示。对测量M产生的声压在无反射时就是声辐射器口面一个个小面积d S所产生的声压的积分,小面元的位置为(ρ,φs),ρ为极径,φs为极角,面积为d S=ρdρdφs。

根据图1所示,远场声压分两部分建模。

1.2.1 扇形部分声压

根据图2,扇形部分ρ的取值范围为[0,a];φS的取值范围为[ψ0,2π-ψ0];ψ0=arccos(d/a)。

扇形部分在远场产生的声压可表示为

${\rm P}{}_1=\text{j}\frac{\omega \rho {}_{0}u{}_a}{2\text{π}r}\text{e}{}^{\text{j}(\omega t-kr)}{\displaystyle {\int }_0^a\rho }\text{d}\rho {\displaystyle {\int }_{\psi {}_0}^{2\pi -\psi {}_0}\text{e}}{}^{\text{j}k\rho Q}\text{d}\phi {}_s$ (3)

式(3)中:Q=cosφssinθcosφ+sinφssinθsinφ;k表示空气中的波数,k=ω/c0=2πf/c0;ρ0、c0分别表示空气的密度和声速;ua为声辐射器出口截面处空气质点速度幅值;θ为测量点与口面中心连线与口面法线的夹角;φ为测量点与口面中心连线在xoy面上的投影与x轴的夹角。

1.2.2 三角形部分声压

根据图2,三角形部分ρ的取值范围为$\left[0,\frac{\cos (\psi {}_0)a}{\cos \phi {}_s}\right]$;φS的取值范围为[0,ψ0]和[2π-ψ0,2π];ψ0=arccos(d/a)。

三角形部分在远场的声压可表示为

$\begin{array}{l}{\rm P}{}_2=\text{j}\frac{\omega \rho {}_{0}u{}_a}{2\text{π}r}\text{e}{}^{\text{j}(\omega t-kr)}{\displaystyle {\int }_0^{\frac{\cos (\psi {}_0)a}{\cos \phi {}_s}}\rho }\text{d}\rho \times \\ \left({\displaystyle {\int }_0^{\psi {}_0}\text{e}}{}^{\text{j}k\rho Q}\text{d}\phi {}_s+{\displaystyle {\int }_{2\text{π}-\psi {}_0}^{2\text{π}}\text{e}}{}^{\text{j}k\rho Q}\text{d}\phi {}_s\right)(4)\end{array}$

式中:Q=cosφssinθcosφ+sinφssinθsinφ。

则被截圆形口面声辐射器远场声压为

P=P1+P2

指向性函数[4]为

$D(\theta )=\frac{{\rm P}}{\text{j}\frac{\omega \rho {}_{0}u{}_a}{2\text{π}r}\text{e}{}^{\text{j}(\omega t-kr)}[a{}^2(\cos \psi {}_0\sin \psi {}_0+\text{π}-\psi {}_0)]}$ (5)

由于声压方程式(3)和式(4)无法求出解析解,所以只能用数值积分方法求解式(5),得出指向性图。

2 数值仿真及结果分析

2.1 被截圆形出口声辐射器远声场特性分析

图3是设图1被截圆形口面声辐射器口面半径为a=0.157 5m,信号源频率分别为500 Hz、1 000 Hz和2 000 Hz时,圆心到被截边的距离分别为d=0.1 m和d=0.15 m时,距声辐射器口面100 m处的声压三维图。

由图3(a)、(b)和(c)可以看出,当圆心到被截边的距离等于0.15 m时,被截部分对整个辐射面的影响较小;当被截部分增大,圆心到被截边的距离减小到0.1 m时,由图3(d)、(e)和(f)可以看出,由于被截面积增大,对整个辐射面的影响增强,声压三维图分布出现不均匀,在被截方向上声压和指向性变差。

2.2 被截圆形和圆形出口声辐射器远声场特性比较分析

图4是设圆形和被截圆形口面声辐射器口面半径均为0.157 5 m,被截圆形口面声辐射器圆心到被截边的距离分别为d=0.15 m和d=0.1 m时,在3种频率下(即信号频率分别为500 Hz、1 000 Hz和2 000 Hz)距这三种口面声辐射器100 m处声压级二维图。对应的声辐射器出口截面处空气质点速度幅值分别为0.3 m/s,0.19 m/s,0.12 m/s。

由图4(a)至(f)可以看出,当圆心到被截边的距离d=0.15 m时,被截圆形和圆形口面声辐射器在输入信号频率为500 Hz、1 000 Hz和2 000 Hz时曲线基本重合,变化趋势一致;当圆心到被截边的距离减小到0.1 m时,在三种频率下,被截圆形口面声辐射器声压级曲线发生较大变化。

当输入信号频率为500 Hz时,三种口面声辐射器方向图为全向,声压级相对较低。输入信号频率为1 000 Hz时,声压级增大,但指向性仍不明显,φ=90°时,三种口面声辐射器-3 dB波束宽度均为Θ-3 dB=66.6°;φ=0°时,由于d=0.1 m的被截圆形口面声辐射器在此方向上所受影响较大,指向性减弱,-3 dB波束宽度仅为Θ-3 dB=77.4°。输入信号频率为2 000 Hz时,三种声辐射器声压级均继续提高,指向性也更加明显,φ=90°时,三种口面声辐射器-3 dB波束宽度均为Θ-3 dB=30.6°;同样由于受被截面积的影响,φ=0°时,d=0.1 m的被截圆形口面声辐射器,-3 dB波束宽度仅为37.8°,其他两种口面声辐射器-3 dB波束宽度仍为Θ-3 dB=30.6°。

3 结论

比较结果表明,当被截面积较小即圆心到被截边的距离d大于某个值(本例为d=0.15 m)时,被截圆形口面声辐射器远场声压和指向性基本不受影响,远声场特性与圆形口面声辐射器一致。因此,我们可以根据工程实际需要,在圆心到被截边的距离大于某一特定值的条件下,用被截圆形口面代替圆形口面声辐射器作为阵列单元,实现远声场特性基本不变的小型化火箭强噪声模拟装置组阵结构。

摘要：建立了火箭强噪声模拟装置辐射器不同出口形状声辐射器的远声场特性计算模型。仿真分析了被截面积的大小对被截圆形出口声辐射器远声场特性的影响。在不同输入信号频率下,比较分析了圆形和被截圆形出口声辐射器远声场特性,为小型化火箭强噪声模拟装置设计提供理论指导。仿真结果表明,当被截面积较小即圆心到被截边的距离大于某个值时,被截圆形口面声辐射器远场声压和指向性基本不受影响,远声场特性与圆形口面声辐射器一致。

关键词：火箭,噪声模拟,声辐射器,远声场特性

参考文献

[1] Kolbrek B. Horn theory: an introduction. Audio X Press, 2008: 1:9

[2] 陈新华,郝健.火箭喷气强噪声模拟装置内声场特性分析.科学技术与工程,2010;10(26):6409—6413

[3] 郝建. 陈新华,陈琳,等.火箭喷气强噪声模拟装置结构对电声转换效率影响分析. 科学技术与工程, 2011; 11(3):1671—1815

[4] Harrison J. Fast and accurate bessel function computation. 2009,104—113

圆柱壳的声辐射特性分析 篇2

潜艇是一种能进行军事战斗活动的军用舰船, 它具有很多其它军用舰船所不具备的优点:潜艇的自给力强, 一次带足给养可以在水下活动一到两个月;潜艇的突击威力非常强, 其打击威力当量一般为万吨、百万吨;潜艇的续航能力大, 一般可达两万多海里;一旦爆发核战争, 由于它具有良好的机动性和隐蔽性, 可以在遭受第一次核打击后保存核反击的实力, 是一种很重要的战略威慑武器装备。从现代潜艇的发展历史中, 我们可以看到潜艇在战争中发挥的巨大作用, 特别是在两次世界大战期间以及战后的一些军事冲突中所发挥了重要作用。

2 圆柱壳的结构计算模型

本模型是加肋骨的圆柱壳, 可以仿真潜水艇的模型。两端边界条件采用自由支持, 圆柱壳的长度选为3m, 圆柱壳模型的半径选为1m, 模型的厚度选为0.016m, 杨氏模量取E=2.0×1 011N/m2, 泊松比取为0.3, 密度取为7 860kg/m3, 圆柱壳外面流体取为水, 声速c=1 500m/s, 密度为1 000kg/m3, 圆柱壳内部结构如图1所示。

3 模型计算结果展示

计算出来的声压云图如图3至图6所示。

其声功率、声辐射效率、结构表面均方震速级分别如图7至图9所示。

4 计算结果分析

在计算过程中所选择的频率范围为20Hz到120Hz, 计算步长为2Hz。从各个不同的频率下的声压云图上可以看出, 越靠近模型本身, 其声压越大。从声辐射功率曲线中可以看出, 在35Hz和115Hz时, 出现了峰值, 声功率总体随频率的增大而增大。从声辐射效率曲线可以看出, 在38Hz出现了峰值, 整体趋势呈振荡变化。同样, 圆柱壳表面的均方振速级也有随频率振荡增长的趋势。

5 圆柱壳声辐射指向性计算

分别选取了20Hz、60Hz、70Hz、120Hz来做看yz平面上的声音指向性情况, 具体如图10至图13所示。

由以上几个图可以看出, 在20Hz, 60Hz, 70Hz情况下, 圆场点处的声压级随角度的变化而变化, 出现了两个主瓣, 而且两个瓣是几乎对称的, 具有明显的声学指向性。

6 结论

本文通用圆柱壳加肋结构来近似模拟水下潜器的结构, 计算分析了圆柱壳声辐射特性, 并得到了声压指向性图, 为研究潜艇的声辐射特性提供了一定的依据。

摘要：圆柱壳结构是水下潜艇结构的典型结构。本文用圆柱壳加肋结构来近似模拟水下潜器的结构, 并计算分析了圆柱壳声辐射特性, 并得到了声压指向性图, 为研究潜艇的声辐射特性提供依据。

声辐射器 篇3

发动机的油底壳是发动机表面辐射噪声的主要部件, 其表面辐射噪声约占整机噪声的20%~30%左右[1]。油底壳噪声控制的方法有多种, 可以从声源处进行控制, 对油底壳进行结构改进、采用阻尼结构等方法。现有的文献表明, 对于采用阻尼结构控制发动机壳体结构声辐射的研究方法, 现阶段基本上完全依赖于试验研究, 方案设计单一, 试验结果受环境条件影响很大。而相关的数值研究方法还仅仅限于理论推导, 无法直接指导设计工作, 更难以完成进一步的动态特性分析、声学特性分析工作。采用现代CAD/CAE技术模拟阻尼处理后的振动体并进行相关分析, 对于本领域的研究具有非常重要的意义。本文主要开展油底壳结构振动及声辐射特性分析以及采用阻尼结构控制油底壳声辐射特性的研究。

1 油底壳结构振动特性仿真分析

本文的研究对象是某柴油机的油底壳。该油底壳壁厚6mm, 长936mm, 宽348mm, 高336mm。在有限元软件I-DEAS中建立其三维实体模型并对该实体模型进行网格划分, 采用四面体单元, 尺寸为30mm划分的有限元模型, 共有27003个节点, 14122个单元。首先对油底壳进行模态分析, 得到了油底壳在法兰部分约束状态下的固有频率及相应的模态振型。为了研究油底壳的声辐射情况, 还需对油底壳进行结构动力学分析, 以了解油底壳在外激励下的振动情况。本文应用模态叠加法对油底壳进行振动分析研究。

1.1 振动响应计算的条件

在对油底壳进行模态计算时, 对接触表面 (法兰面) 施加了法向接触自由度, 并计算了相应的接触模态, 为振动响应计算中对法兰面施加强迫振动提供了准备条件。

对接触表面上所有具有强迫振动自由度的节点施加法向加速度10mm/s2的激励, 计算得到表面振动速度、振动加速度、模态参与因子等响应结果。

1.2 振动响应结果分析

为了描述油底壳在各频率下的振动情况, 本文分别在油底壳的两侧面及底部选取4个点作为考察点, 位置如图1所示。

在I-DEAS中, 通过动响应计算得到在0~2000Hz频率范围内的振动速度频响应函数, 并作出了上述各点沿X、Y、Z三个方向的振动速度、加速度分量分别随频率变化的响应函数图, 其振动速度分量、加速度分量频响函数如图2所示, X为长度方向, Y为宽度方向, Z为高度方向。如图2所示, X方向上点 (2) 的振动最剧烈振动速度、加速度都较大, Y方向上两侧上的点 (1) 、点 (3) 振动最为剧烈, Z方向上底板上的点 (4) 振动最为显著, 速度、加速度分量在数值上都占有绝对优势。

2 油底壳表面声辐射仿真计算

鉴于有限元方法和边界元方法各自的特点, 在实际问题的求解过程中, 经常使用二者耦合求解的方法以提高求解问题的效率和精度, 即有限元与边界元耦合求解方法 (Coupled FEM&BEM) [2~4]。首先使用结构有限元模型计算在外部激励条件的结构表面动态响应, 包括位移、加速度等, 然后对有限元模型进行所谓“粗化处理”的模型修改, 使之适合于边界元模型, 将结构表面的动响应结果作为流体介质的边界条件, 计算出结构表面上的声压和质点法向速度, 然后利用边界元的外域声场与结构边界上的边界条件之间的关系进行声学求解。本文对油底壳进行声辐射预测, 采用了有限元结构模型与间接边界元流体模型耦合求解的方法。基于ATV概念的油底壳结构声辐射分析计算流程图如图3所示。

2.1 声学分析模型的建立

2.1.1 结构边界元模型的建立

由于结构有限元网格与声学边界元网格不相容, 因此结构有限元模型中的结构模态结果及振动响应结果 (MRSP) 不能直接应用于声学计算, 所以有必要在SYSNOISE中通过“网格粗化”处理建立结构边界元模型, 然后将I-DEAS中计算的结构模态结果通过软件自有的几何插值功能“映射”到该结构BEM模型上, 此时的结构FEM模型的网格与结构BEM网格不匹配, 可以通过模态转换, 将其转换成匹配的模态。

另外, 由于后面计算MATV时, 需要投影到单元法向的结构模态, 因此, 还要将上述结构模态结果向表面法向投影, 得到法向投影模态 (Projected Modes) , 取前2阶结果为例, 如图4所示。然后, 导入之前振动响应计算得到的MRSP, 以第1、10阶模态参与因子为例, 在SYSNOISE中显示结果如图5和图6所示。

2.1.2 声边界元模型的建立

在SYSNOISE中应用有限元/边界元法计算油底壳声辐射前, 本文建立了油底壳的声学边界元模型。在建模过程中作了如下简化及处理:

1.声学BEM模型使用的是结构BEM的网格模型, 其节点坐标是一一对应的关系;

2.在实际情况中, 油底壳并不是孤立存在的, 其上方的机体封闭了油底壳的内部声场, 并反射了油底壳外部声场的一些声辐射。为了能模拟这种机体对油底壳两侧噪声的屏障作用, 声边界元网格就需要包括整个发动机, 而为了简化求解, 本文在油底壳开口处施加了一个对称平面来封闭油底壳, 该平面为刚性平面, 法向速度为零, 相当于一个无限大障碍板的作用, 封闭了油底壳的内部声场, 又反射了油底壳外部声场向上的辐射噪声, 以模拟在半消声室中测量发动机声功率时, 地面对声音的反射, 而更精确地计算出气缸体的辐射声功率。

基于上述简化, 本文建立的油底壳声学边界元模型如图7所示, 其单元总数为3660个, 节点总数为3662个。

2.1.3 场点网格的建立

本文所采用的外场场点网格模型 (FPM, Field Point Mesh) , 是参照GB/T3767-1996《声学-用声压法测定噪声源声功率级-反射面上方近似自由场的工程法》和GB/T3768-1996《声学-用声压法测定噪声源声功率级-反射面上方采用包络测量表面的简易法》所建立的一个包含19个场点的“精细型” (fine) 半圆罩型网格模型。所谓“精细型”是指所设置的场点位置模拟了相关标准中1~10个基本传声器位置和11~20个附加传声器的位置 (顶点位置10与20重合, 略去一点, 总计19点) , 具体各测点的布点规则、位置坐标在以上两个国标中有详细定义, 本文所建立的场点网格如图8~9所示。

至此, 进行声辐射特性计算所需模型建立及数据准备工作均已完成, 通过计算ATV, 并将上述结构BEM模型与声学BEM模型以一种称为“FluidStructure-Weak” (流-固弱耦合) 的模型联接方式“联结” (Link) 起来, 得到油底壳结构声辐射FEM/BEM联合求解模型。在这种结构模型与声学模型组成的弱耦合模型中, 结构和声学模型的方程分别计算, 结构模型的计算结果将作为声学模型的边界条件传递给声学模型。然后, 基于结构模态结果计算MATV, 并求解声学结果。

2.2 声学特性计算结果分析

2.2.1 ATV求解

利用SYSNOISE进行求解计算, 设定所关心声学分析结果的上限频率为2000Hz, 在2000Hz频率以内以0Hz为起点每间隔50Hz求解一组ATV向量。作为示例, 油底壳在300Hz和1000HZ两个频率点下, 边界单元对场点6和场点10的ATV向量云图如图10所示。其中, 6号和10号场点位置如图8所示。

从图中可见, 边界元各节点对6号及10号场点在300Hz时的ATV向量云图分布较为均匀, 说明在相对较低的频率300Hz时, 并且在油底壳开口处的刚性反射面的作用下, 各边界元节点对声学响应的贡献都较小。而在1000Hz时, 边界元各节点对6号及10号场点的ATV向量云图分布则明显比较分散, 说明此时边界元各节点对声学响应的贡献有了显著的差别, 个别节点贡献量较大, 在云图中显示也较为突出。

2.2.2 声学计算结果

1.辐射声功率结果

MATV法计算振动体辐射声功率原理, 可以知道, 声压, 因此要计算声功率, 必须先分别计算出声传递向量ATV, 法向模态振型Ωn和模态响应向量MRSP。本文在SYSNOISE软件中也分别计算了这三个分量, 并在完成了计算辐射声功率所需的ATV, Ωn和MRSP后, 计算了油底壳的辐射声功率。图11、图12是油底壳表面辐射噪声的声功率级频谱图。

本文按照能量叠加的方式, 由公式

计算得到了油底壳在0~2000Hz整个频带上A计权后总的表面辐射噪声声功率级约为298dB (A) 。

2.声压结果

本文由上述计算方法对油底壳声辐射特性进行求解, 得到整个频率域内外声场场点的声压分布, 选取若干频率点处的场点声压级分布云图如下:

在噪声测量中往往采用频带声压级, 它反映在给定频带内所有声能迭加后的声压级。以10号域点 (油底壳正上方) 为例, 在0~2000Hz频率范围内, 该点的1/3倍频程声压级结果如图14所示。由图中可知, 油底壳正上方的10号域点的最高声压级发生在中心频率为1600Hz的1/3倍频带内, A计权的最高声压级为228dB (A) 。

3 采用约束阻尼结构控制油底壳声辐射

根据发动机的表面声辐射与表面振动的关系可知, 降低表面辐射噪声的途径有降低声辐射效率、减小声辐射面积和降低表面质点振动速度等。降低发动机表面声辐射的最有效的方法是降低质点振动速度。减小表面质点振动的途径主要有, 减小激励燃烧激励和机械激励、减小结构对振动激励的响应、改变振动的传递的路线、增大阻尼等方法。本文研究的主要是通过附加阻尼结构来增大结构阻尼并衰减振动, 从而达到减小振动辐射噪声的目的。

3.1 有限元模型

在有限元软件I-DEAS中对油底壳有限元模型内侧和外侧分别附加单元, 设置该层单元的材料属性为粘弹性材料的材料属性, 具体材料及结构参数见表1。

本文采用的约束型阻尼结构为对称性阻尼结构, 建立的相应有限元模型如图15所示。

3.2 结构振动分析结果对比

对构造有约束阻尼层的油底壳有限元模型设置结构阻尼因子, 并采用与原方案相同的边界条件及激励函数进行振动响应计算, 得到相应的表面振动速度及加速度响应, 选取底板上的节点 (Node15280) 为例, 其振动速度、加速度的Z向分量的计算结果如图16、图17所示, 与未经阻尼处理的模型相比, 表面振动速度及加速度的振幅显著地减小, 进行约束阻尼处理后的油底壳表面振动速度和加速度的波动性已经相当不明显。

3.3 声学特性对比

采用与上节相同的声学结果求解方法对进行相当于约束阻尼结构的复合夹层阻尼处理后的油底壳进行了声辐射特性求解, 得到相应的外声场场点声压结果及辐射声功率结果。

如图18所示为辐射声功率级结果, 与不含阻尼结构的辐射声功率对比, 可以看出, 在300Hz~1500Hz的频率域内除1100Hz左右的频段内声功率级有所上升外, 总的趋势是在整个频率域内, 含有复合夹层阻尼结构的油底壳辐射声功率级比无阻尼结构都有所降低, 在1450Hz左右, 辐射声功率级最多降低了约3dB (A) , 根据能量叠加原理, 在0~1500Hz频段上油底壳采用阻尼处理前后总的表面辐射声功率级降低了约1dB (A) 。

由图19中所示的10号场点在采用自由阻尼结构前后的声压级频谱对比, 可见, 除在1000Hz~1200Hz频段内声压略有升高外, 整个频率域内, 尤其是1500Hz以上的高频段内, 该场点处的声压有大幅度的降低, 最大降低量达到将近20dB (A) 。因此, 可以得到结论, 对油底壳采用复合夹层阻尼结构这种降噪措施能够有效地降低辐射声功率及辐射声场中的声压, 从而达到降低噪声的目的。

4 结论

本文通过对油底壳表面辐射噪声及表面阻尼处理的控制方法进行研究, 主要得到了以下结论:

(1) 在对发动机油底壳进行结构动态响应分析基础上, 应用ATV (声传递向量) &MATV (模态声传递向量) 法, 在声振分析软件SYSNOISE中计算得到了油底壳的辐射声功率级、声场场点声压等声学结果。表明, 采用ATV&MATV方法对油底壳进行声辐射特性研究是可行的, 与实际情况相吻合。对油底壳声辐射特性的仿真研究能够为其声辐射特性设计提高理论依据。

(2) 建立了对油底壳表面进行阻尼处理的计算模型。分析结果表明, 在油底壳表面构造约束阻尼结构能够衰减油底壳表面的振动, 降低油底壳的辐射声功率级, 在所关注频段0~1500Hz内总的辐射声功率级的降低量约为1dB (A) 。此外, 通过分析所建立的外声场场点处的声压级结果, 可知, 约束阻尼降噪措施降低了场点处的辐射声压, 个别频率处降幅达几十dB。

摘要：应用模态叠加法分析了油底壳在指定激励下的结构振动响应;然后应用ATV (声传递向量) &MATV (模态声传递向量) 法, 在声振分析软件SYSNOISE中计算了油底壳的辐射声功率级、声场场点声压等声学结果。采用约束阻尼结构对油底壳进行声辐射控制的研究, 得到了阻尼处理后的结构动态特性及声辐射特性结果。与原油底壳相比, 各阶固有频率、表面振动速度、振动加速度显著降低, 辐射声功率、声场声压也均有所降低, 具有较好的减振降噪效果。

关键词：油底壳,声辐射,阻尼

参考文献

[1]索文超, 韩树, 张晶.内燃机降噪技术研究综述[J].2005 (4) :13~16.

[2]赵志高.结构声辐射的机理与数值方法研究.华中科技大学博士学位论文[D], 2005.

[3]柯兵.用有限元/边界元方法计算结构体振动辐射声场.船舶与海洋工程研究专集[C], 2001.

声辐射器 篇4

1 资料与方法

1.1 一般资料

2011-09～2012-03来我院进行手术的甲状腺结节患者54例,共67个结节,男15例,女39例,年龄17～72岁,平均(43.791±16.081)岁。所有患者术前进行的甲状腺常规超声检查和超声弹性成像检查均在我院完成的。

1.2 仪器

使用西门子公司生产的Acuson-S2000彩色多普勒超声诊断仪器(Siemens,Germany)并应用线阵探头(9L4),探头频率7～12 MHz。仪器内有声脉辐射力(ARFI)软件。

1.3 检查方法

患者仰卧位,后仰头部或垫高肩部,平静的呼吸。

1.3.1 常规超声检查

先行甲状腺二维超声扫查发现甲状腺结节后,使图像调整到最佳,观察结节的数量、部位、大小、回声、形态、边界、血流分布情况及与周围组织关系。

1.3.2 超声弹性成像检查

Touch Tissues Quantification)即定量的剪切波速度(shear wave velocity,Vs)显示。将VTQ的取样框放置ROI内,坏死液化区要注意避开,测量该处ROI组织弹性Vs,测出数值以m/s表示。测量该处剪切波传导速,每一位患者重复以上操作5次,取平均值,测量肿瘤内感兴趣区及肿瘤周边正常组织的弹性值以数字模式记录。在检查结束后进行随访,根据病理结果进行对比研究。

1.4 统计方法

使用统计软件进行统计分析,在彩色多普勒超声下检验良性与恶性病灶间的各项参数差异的。采用t检验比较,差异具有统计学意义(P<0.05)。

2 结果

2.1 甲状腺良恶性肿瘤的病理概况

54例患者中,共67个结节,所有结节手术病理结果显示,良性结节44个,恶性结节23个。其中恶性结节中,甲状腺乳头状癌为20例,甲状腺滤泡状癌为2例,甲状腺髓样癌为1例,良性结节中,结节性甲状腺肿为30例,甲状腺腺瘤为8例,淋巴细胞性甲状腺炎为5例,不典型增生为1例。

2.2 甲状腺良恶性肿瘤的常规超声表现

常规超声表现包括内部的回声、边界、内部及周边血流信号、声晕、钙化大小等,微小钙化斑以及肿瘤的边界在常规超声中是比较有诊断价值的的指标(P<0.05)。见表1。

2.3 甲状腺良恶性肿瘤的ARFI表现

甲状腺腺瘤的ARFI表现中腺瘤的剪切波速度一般较低,见图1。甲状腺乳头状癌的ARFI表现甲状腺乳头状癌的剪切波速度较之良性者高,见图2。

2.4 甲状腺良、恶性肿瘤组的剪切波速度

嘱受试者屏住呼吸,启动ARFI软件中VTQ(Virtual见表2。

2.5 感兴区曲线

要分别以病灶平均速度、病灶边界清晰与否作为诊断指标作感兴区曲线,可见以剪切波速度作为诊断指标其约登系数较结节边界的更大,病灶剪切波速度特异度亦高于病灶边界,两者诊断价值更为优越。甲状腺良恶性肿瘤鉴别诊断的价值。见表3。

3 讨论

3.1 目前诊断甲状腺结节主要技术

根据近几年的统计表明,甲状腺癌是发病率增长最快的恶性肿瘤,该肿瘤为恶性肿瘤其中之一[3],而在临床上决定甲状腺结节的处理方案很大程度上取决于对甲状腺结节的良恶性质的判断。目前在临床上超声已成为首选的影像学检查方法。诊断甲状腺结节的性质传统的超声主要包括结节内的边界、形态、晕圈、内部的回声、微小的钙化灶(点状)以及血流信号等,良性及恶性甲状腺肿瘤的超声表现特征等方面均在不同程度上存在着重叠的情况[4]。超声弹性成像技术的问世,丰富了疾病诊断信息,也又增添了一种鉴别甲状腺肿瘤危险性的有效方法。本研究综合应用了各种有效的超声方法对甲状腺肿瘤进行诊断,结果显示,鉴别甲状腺良性与恶性肿瘤诊断中甲状腺内部微小钙化灶是较为最重要的特征之一,已经显示出独特的应用价值,这与国内外的各项研究也是比较符合的[5,6]。

3.2 声脉冲成像技术与常规超声的诊断分析

甲状腺主要由腺体组织和少部分纤维组织构成。当局部组织细胞发生异常的增生而导致肿瘤形成,超声弹性成像是通过组织硬度来对甲状腺肿瘤组织的良恶性判断,首先于1991年由Ophir等提出使用压迫性弹性技术方法[7],主要是施加外力对组织并且应用超声测量组织扭曲的程度,反应组织弹性成像特征。

成像时在先确定感兴趣区域在进行弹性检测,探头先发射推力脉冲,组织受力之后,所产生纵向压缩和横向振动,系统会根据序列探测脉冲波收集到的这些变化而演算出横向剪切波的速度值,间接反映出该区域弹性硬度。该技术能克服传统弹性成像无法对深部组织施压以及患者个人原因干扰缺点,超声弹性成像能反映被测组织与被测周围正常组织的硬度,为病变性质方面提供了信息,也为鉴别甲状腺良性与恶性肿瘤开辟了新的途径[8]。

通过ARFI技术,可以检测出甲状腺的良性肿瘤与恶性肿瘤的弹性值差异。在本研究中的甲状腺平均剪切波速度,恶性肿瘤组的弹性指数明显比良性肿瘤组弹性指数高,差异性显著(P<0.01)。ARFI技术以剪切波速度代表感兴区组织的弹性差异,因此ARFI技术对于甲状腺的良性肿瘤与恶性肿瘤具有较大的诊断价值。根据本组研究结果显示,甲状腺恶性肿瘤的判断指标为剪切波速度;在国内的报道与刘芳和李萍等[9,10]目前应用的是日本Hitachi公司研发系列机型较相符合。但此法操作者施压人为因素较多,而在国外相关ARFI技术在甲状腺良性与恶性肿瘤的应用文献报道相对比较少[11],根据参考有关的文献,我们研究发现,判断甲状腺肿瘤性质的标准是病灶内微小钙化斑、肿瘤边界、剪切波速度等。由此可见,判断甲状腺良恶性肿瘤时,应用ARFI技术具有极其独特的诊断价值和优越性[12]。由于ARFI技术重复性好,所以可以反复多次测量,得到的弹性数据非常可观,避免了主观判断弹性所固有的颜色表现,因此剪切波速度的可信度比较高,为甲状腺肿瘤诊断提高了全新理念。

经研究发现,利用对于诊断比较难的甲状腺肿瘤有着明显的优越性,在诊断较难的17个病例中,有16例的判断是正确的,着实令人信服。研究中我们还发现经过术后病例检查12个有微小钙化灶的病例在术前用常规超声检查时未发现微小钙化灶,其病灶的弹性测值均表现得异常高;一些不容易被发现的微小钙化灶或隐匿性的微小钙化灶应用ARFI技术可以间接提示。随着超声技术的不断发展,还随着实践中的广泛应用,扩大病例数以后在做出相应总结与定论。甲状腺肿瘤在应用ARFI技术的检查时,可以综合应用多种技术手段来提高检查的可信度,例如EI、VTI、CDFI等检查,可同时可多次检查来提高重复性。如:在检查中有时需结合常规超声检查来对那些囊腺瘤或者有巨大钙化肿瘤的病例作出令人满意的判断;应用VTQ技术选取感兴趣区观察肿瘤的弹性值。常规超声联合超声弹性成像只有利于提高甲状腺良性与恶性肿瘤诊断率。目前,ARFI技术的应用在某些方面也会受到一定的局限性,比如在应用时不能随意调试取样框的大小,研究资料样本数量较少。因此相信随着弹性设备的不断完善和应用经验的不断积累,弹性成像必将在今后的工作中发挥重要的作用。

参考文献

[1]张一峰,徐辉雄,刘畅,等.声触诊组织定量技术诊断结节性甲状??腺肿的初步研究[J/CD].中华医学超声杂志:电子版,2012,9 (5):448-451

[2]Sporea I,Vlad M,Bota S,et al.Thyroid stiffness assessment by acoustic radiation force impulse elastography(ARFI)[J].Ultraschall Med,2011,32(3):281-285

[3]Davies L,Welch HG.Increasing incidence of thyroid cancer in the United States,1973-2002[J].JAMA,2006,295:2164-2167 2010.7:34-39

[4]姜玉新,张波.甲状腺结节的超声诊断及治疗[J].协和医学杂志, 2010,7:34-39

[5]Moon WJ,Jung SL,Lee JH,et al.Benign and malignant thyroid nodules:US differentiation—multicenter retrospective study[J], Radiology,2008,247:762-770

[6]丛淑珍,冯占武,甘科红,等.应用Logistic回归模型评价超声弹性成像在甲状腺单发结节良恶性鉴别诊断中的价值[J].中国超声医学杂志,2010,26(6):510-513

[7]Ophir J,Cespedes 1,Ponnekanti H,et al.Elastography:a quantitative method for imaging the elasticity of biological tissues[J],Ultrason Imaging,1991,13(2):111-134

[8]谭伟.韩晓东,程刚,等.基于剪切波的肝脏纤维化超声粘弹性检测系统[J].中国医疗器械杂志,2010,5:330-334

[9]李萍,宋烨,胡小涛,等.超声弹性成像与常规超声诊断甲状腺良恶性结节的对照研究[J].同济大学学报(医学版),2010,6:88-91

[10]LEE AU.When liver stiffness is not so straight forward and Fibroscan not so simple[J].J Gastroenterol Hepatol,2009,24 (6):934-936

[11]Sebeg F,Vailant JL,Berbis J.Shear wave elastography:A new ultrasound imaging mode for the differential diagnosis of benign and malignant thyroid nodules[J].J Clin Endocrinol Metab, 2010.95:5281-5288

声辐射器 篇5

板结构的声辐射一直是工程噪声研究的重点之一, 其辐射机理及其规律一直是众多学者的研究重点, 如文献[1—3]利用有限元边界元方法对薄板结构的声辐射特性做了较为深入的研究, 从理论上研究了薄板声辐射与厚度以及激励频率之间的关系.文献[4]研究了加肋薄板的声辐射特性.文献[5]利用SYSNOISE软件的薄板振动声辐射数值仿真研究, 研究了不同约束和不同激励点位置对薄板声辐射的影响.文献[6]根据Rayleigh积分公式研究了线分布激励下功能梯度材料矩形板的声辐射特性。90年代兴起的声辐射模态理论, 为控制结构的低中频声辐射提出了新的思路, 沿着这种研究, 众多学者对板结构的声辐射效率及其结构的主动控制进行了研究[7—9]。以往的文献中, 普遍以等厚度薄板结构的声辐射研究为主, 一般采用经典矩形板单元进行有限元分析。这种单元没有考虑横向剪切力的影响, 并且对于厚板以及变厚度板的声辐射不适用。本文利用九结点超参数壳单元的对板进行稳态振动的有限元分析, 超参数壳单元考虑了横向剪切力和转动惯量的影响, 故比一般基于薄壳或薄板理论的单元准确, 它适用于分析薄壳、中厚壳以及变厚度壳, 具有计算精度高, 适用范围广的特点。板的声辐射仍然采用边界元法进行计算。

1变厚度板的有限元理论

变厚度板的振动方程为

式 (1) 中, D为板的弯曲刚度, w为板的挠度, q为板上的外加荷载, 下标`, '表示求偏导数, μ为泊松比h为板上一点的厚度, 为坐标的函数。

式 (1) 为一变系数偏微分方程, 即使对四边简支板, 也难以获得解析解, 因此只能用数值方法求解。本文采用超参数壳单元对板进行有限元分析, 该单元由实体退化单元得到, 下面简要介绍一下超参数壳单元。

壳结构在三维空间中看起来就是一张弯曲的薄层。为了方便描述壳单元的运动, 取壳单元的中面为参考面, 即参考面位于壳结构初始上下表面的中间位置。对于等厚度板壳, 其中面与上下面两两平行。图1为九结点超参数壳单元及其坐标系示意图。图中 (x, y, z) 为整体坐标系, (x′, y′, z′) 为局部坐标系, (ξ, η, ζ) 为自然坐标系。图2为九结点母单元示意图。

超参数壳单元的计算过程涉及较多的公式推导, 本文并不介绍其具体过程, 详细内容参见文献[10]。根据虚位移原理, 可以得到壳体振动的有限元方程

${\rm M}\stackrel{\cdot \cdot }{{\displaystyle X}}+C\dot{X}+{\rm K}X=F$ (2)

式 (2) M, C, K分别为板的质量矩阵, 阻尼矩阵以及刚度矩阵, F为结点荷载向量。

当激励为谐波激励时, 设F=F0ejωt, X=X0ejωt, F0为稳态荷载向量, X0为稳态位移响应, V0为稳态速度响应, ω为激励圆频率, 则结构的稳态响应

X0= (K+iωC-ω2M) -1F0 (3)

结构的速度响应为

V0=iωX0 (4)

2 板的声辐射理论

对于任意结构振动的辐射声功率为

W=∫SISdS (5)

单频振动情况下结构表面一点处的声强为

${\rm I}{}_S(X)=\frac{1}{2}\mathrm{Re}[p(X)v{}_n^{*}(X)]$ (6)

式 (6) 中X为结构上一点, p (X) 表示X点处的声压, vn (X) 表示X点处的法向速度, IS (X) 表示声强。

对于位于无限挡板上的板, 可以用Rayleigh 积分直接得到板表面任一点声压与振速之间的关系

$p(X)=\frac{j\omega \rho {}_0}{2\text{π}}{\displaystyle {\int }_{S}v}{}_n(Y)\frac{e{}^{-jkr}}{r}\text{d}S$ (7)

式 (7) 中, X为场点, Y为源点, r=|X-Y|为场点和源点的距离, ω为激励圆频率, k为波数, ρ0为空气密度。

结构表面经过边界元离散后形成了Ne个边界元S1, …, SNe, 由辐射声功率的可加性, 整个结构的辐射声功率可以表示为

W=VHnZVn (8)

式 (8) 中Z为辐射阻抗矩阵, Vn为结点法向振动速度列向量, V${}_n^{{\rm H}}$为向量Vn的共轭转置, 可以证明Z为正定的埃尔米特矩阵。阻抗矩阵反映了结构表面的可能分布形式, 它仅与结构表面几何形状和激励频率有关, 与结构的材料特性以及边界条件没有关系。

3 板声辐射的灵敏度分析

文献[1]以板的厚度和激励频率为设计变量, 对薄板的声辐射做了灵敏度分析。本文以板表面的倾斜角为设计变量。

设结构的设计变量为θ, 由式 (8) 得到结构的辐射声功率对设计变量的偏导数为

$\frac{\partial W}{\partial \theta }=\frac{\partial V{}_n^{{\rm H}}}{\partial \theta }{\rm Z}V{}_n+V{}_n^{{\rm H}}\frac{\partial {\rm Z}}{\partial \theta }V{}_n+V{}_n^{{\rm H}}{\rm Z}\frac{\partial V{}_n}{\partial \theta }(9)$

由式 (4) 知

$\frac{\partial V{}_n}{\partial \theta }=i\omega \frac{\partial X{}_0}{\partial \theta }$ (10)

如果设计变量与结构声辐射的阻抗矩阵和结构所受荷载无关, 由式 (3) 可得

$\frac{\partial X{}_0}{\partial \theta }=-({\rm K}+\text{i}\omega C-\omega {}^2{\rm M}){}^{-1}\left(\frac{\partial {\rm K}}{\partial \theta }+\text{i}\omega \frac{\partial C}{\partial \theta }-\omega {}^2\frac{\partial {\rm M}}{\partial \theta }\right)X{}_0(11)$

对于变厚度板而言, 其刚度矩阵、质量矩阵等物理量与板的倾斜角的关系一般无法写成显式形式, 为此可以采用差商来近似这些量对倾斜角的偏导数, 例如

$\frac{\partial {\rm K}\left(\theta \right)}{\partial \theta }\approx \frac{{\rm K}\left(\theta \right)-{\rm K}\left(\theta -\Delta \theta \right)}{\Delta \theta }$ (12)

式 (12) 中, Δθ为一微小的增量, 这里采用的是向后差商格式。

若结构阻尼满足瑞利模型, 则结构声辐射的灵敏度问题转化为结构刚度矩阵和质量矩阵的灵敏度问题。若设计变量为激励频率, 可以采用差商近似阻抗矩阵对激励频率的偏导数。若设计变量与板的几何形状或激励频率无关, 则式 (9) 可以进一步简化为

$\frac{\partial W}{\partial \theta }=2V{}_n^{{\rm H}}{\rm Z}\frac{\partial V{}_n}{\partial \theta }$ (13)

4 结构的声辐射效率[11]

$\sigma {}_{rad}=\frac{W{}_{rad}}{\rho {}_{0}c<v{}_n^2>S}$ (14)

式 (14) 中, Wrad为结构辐射的总功率, σrad为结构声辐射的效率, ρ0c为媒质的特性阻抗, <v${}_n^2$>为表面法向速度对时间和空间的均方值, S为结构的等效面积。

$\langle v{}_n^2\rangle =\frac{1}{2S}{\displaystyle {\int }_S\left|v{}_n^2\right|}dS$ (15)

式 (15) 经过单元离散后, 可以表示为

$\langle v{}_n^2\rangle =\frac{1}{2S}V{}_n^{{\rm H}}{\rm Z}{}_{0}V{}_n$ (16)

式 (16) 中, Z0为均方速度耦合矩阵, 将式 (16) 代人式 (14) 中可以得到结构的辐射效率。

5 数值仿真

板的长度为a=2 m, 宽b=1 m, 四边简支。在板中心作用一谐波激励, 激励力幅值为1 000 N。空气中声速为343 m/s, 空气密度为1.225 kg/m3 。板的弹性模量为2.1×1011 N/m2, 泊松比为0.3。瑞利阻尼系数分别取α=10-4, β=10-5。

图3为一变厚度板模型, 其上表面为辐射面, 下表面位于无限挡板上, 中面平分板的厚度, 板的厚度沿x方向线性变化。虽然这是一种特殊情况, 但却是工程中比较常见的。图3中, h0为x=a/2截面上板的厚度, h1为x=a截面上板的厚度, h2为x=0截面上板的厚度, 下表面的倾斜角为θ。计算中, h0取为0.02 m, θ为设计变量, 并且为一小参数。显然θ等于0°时, 为等厚度板。θ的临界值为1.145 9°, 此时h1=0。

5.1 变厚度板的有限元分析

为验证程序正确性, 首先对变厚度板进行有限元分析。图4到图8为临界角1.145 9°对应的板的前4阶模态, 其模态与等厚度板有很大不同。表1比较了MATLAB计算所得变厚度板的前8阶固有频率与ANSYS软件计算结果的差别, 两者符合得较好。

图8反映了板的固有频率随倾斜角的变化情况, 固有频率的下降越来越快。图9反映的板中心点的挠度与倾斜角的关系, 随着倾斜角的增加, 板中点的挠度值增加得越来越快。

5.2 激励频率对板的声辐射的影响

设激励频率变化规律为ω=10+3.731N, N=0, 1, ..., 80, 注意此处的频率不是角频率, 计算时需转化为角频率。图10反映了θ=0O与θ=1.145 9°下板的辐射声功率级随激励频率的变化。从图中可以看出辐射声功率级的峰值的出现频率是不同的。在所选取的激励频率范围内, 倾斜角θ= 1.145 9°的峰较多, 这说明不同的倾斜角对辐射声压级峰值的大小和出现频率都有较大影响。

5.3 倾斜角对板的声辐射的影响

图11反映了倾斜角对板的辐射声功率级的影响。激励频率较低时, 倾斜角对板的声辐射的影响较小。当激励频率较高时, 倾斜角对板的声辐射的影响增大。这是由于倾斜角的改变, 使得板的刚度矩阵发生改变, 从而对声辐射产生了影响。

图12为不同激励频率下板的声辐射灵敏度级随倾斜角的变化情况。灵敏度级的计算公式与声功率级形式相同。从图中可以看到, 较低激励频率10 Hz和28.655 Hz下, 板的声辐射灵敏度级随倾斜角的变化比较平缓, 接近为线性关系。而激励频率高于一阶固有频率后, 在某些角度下会出现波动。这说明板的倾角和激励频率都会对声辐射灵敏度级产生影响。

图13为板的辐射效率随倾斜角的变化情况。辐射效率的参考值取10-2。当激励频率较低时, 倾斜角对辐射效率级影响很小, 而在较高激励频率下影响较大。

6 结论

本文应用超参数壳单元建立了变厚度的有限元方程, 利用Rayleigh积分对其声辐射特性进行了研究, 并以厚度沿x方向线性变化的简支板为例, 首先研究了倾斜角对板的静力学与动力学特性的影响, 然后研究了激励频率以及倾斜角对板声辐射的影响。数值计算结果表明:随着倾斜角的增加, 板的固有频率以及板中心点的z向位移变化速度加快。激励频率与倾斜角变化均会对板的声辐射产生影响, 激励频率较低时, 倾斜角对板的声辐射影响较小, 而激励频率较大时, 其影响明显变大。

参考文献

[1]赵志高, 黄其柏, 何锃.基于有限元边界元方法的薄板声辐射分析.噪声与振动控制, 2008;01:39—43

[2]赵志高, 黄其柏, 何锃, 等.有限元与声辐射模态的薄板声辐射灵敏度分析.声学技术, 2008, 27 (3) :464—468

[3]姚本炎, 黄其柏.加筋薄板结构振动与声辐射特性研究.华中科技大学学报 (自然科学版) , 2001;29 (2) :90—92

[4]张升明, 潘旭初.板架结构的振动噪声研究.噪声与振动控制, 1995;5:9—13

[5]陈美霞, 杜磊, 陈乐佳, 等.基于边界元法的平板结构声振性能数值计算.武汉理工大学学报 (交通科学与工程版) , 2009;33 (6) :1048—1051

[6]徐步青, 杨绍普, 马心坦.线分布激励下功能梯度材料矩形板声辐射研究.北京交通大学学报, 2009;33 (1) :54—58

[7] Naghshineh K.Active control sound power using acoustic basis func-tions as surface velocity filters.Journal of the Acoustical Sodety of A-merica, 1993;93 (5) :2740—2752

[8] Cumfare K A.The radiation modes of baffled finite plates.Journal ofthe Acoustical Society of America, 1995;98 (3) :1570—1580

[9]王志, 姜哲.对平板的速度分布及对应辐射效率的探讨.江苏大学学报 (自然科学版) , 1999;20 (2) :13—16

[10]王勖成.有限单元法.北京:清华大学出版社, 2003

声辐射器 篇6

1 ARFI在肝脏疾病中的应用

近年来, 随着声脉冲辐射力成像技术日渐成熟, 它逐渐应用于临床, 涉及胆囊[1]、肾脏、心血管、神经系统以及射频消融治疗的疗效评估等方面, 特别在肝脏疾病中的应用取得了很大成果。

1.1 肝纤维化

肝纤维化是组织内胶原纤维逐渐增多而导致肝组织硬度增加的过程, 因此, 声脉冲辐射力成像技术可以从横向弹性参数上间接反映肝组织的弹性硬度, 从而推测肝纤维化的程度[2]。在此基础上即可对肝纤维化进行分级。孙德胜等[3]研究, 得出对应METAVIR评分标准的肝纤维化F0~F4期的剪切波速临界阈值分别为1.42m/s、1.60m/s、2.19m/s、2.41m/s。张新力等[4]把F0~F2期合并为轻度肝纤维化组, F3~F4期合并为中重度肝纤维化组, ROC曲线分析确定剪切波速≥1.4m/s可作为鉴别轻度肝纤维化和中重度肝纤维化的临界值。国外研究也证实ARFI用于肝纤维化的分级与活检结果高度相符, 并得出F1期与F2期的最佳临界点为1.215m/s, F3期与F4期的最佳临界点为1.54m/s, 且通过活检证实只要剪切波速≥1.54m/s就可以判定为肝纤维化超过F3期[5]。ARFI用于肝纤维化分级对于F3期和F4期有更高的预测价值。董政等[6]研究表明, 剪切波速1.22m/s是诊断肝硬化的最佳临界点。肝纤维化各期的剪切波数值在上述各项研究中不一致, 可能与所选研究对象及其合并疾病不同等因素有关, 有待进一步证实, 但均证明肝脏剪切波波速随纤维化分级增高而增快, ARFI是判断慢性肝病纤维化程度及分级的可靠指标, 可用于肝纤维化的分级诊断。

同时, 一些研究还把ARFI与评价肝纤维化的其他指标和方法进行了比较。Friedrich-Rust等[7]发现, ARFI、瞬时弹性成像技术及血清标志物检测的数值均与肝纤维化程度存在相关性 (r=0.71、0.73、0.66) , 诊断F2期以上的肝纤维化精确度的ROC曲线下面积分别为0.91、0.91、0.82。冯卉等[8]的研究显示, VTQ技术和瞬时弹性成像技术检测的肝硬度值与肝纤维化程度均存在相关性, 且VTQ的相关系数 (0.433 09) 大于瞬时弹性成像技术的相关系数 (0.358 40) ;VTQ区分轻度与中重度肝纤维化的敏感度和特异度分别为85.4%和64.7%, 而瞬时弹性成像技术的敏感度和特异度分别为66.7%和67.2%。Lupsorl等[9]进一步对ARFI技术与瞬时弹性成像技术用于各期肝纤维化评价的精确度进行了探讨, ARFI与瞬时弹性成像技术评价各期肝纤维化的ROC曲线下面积分别为0.709和0.902 (P=0.006) (肝纤维化程度介于F1期和F2期之间) ;0.851和0.941 (P=0.022) (肝纤维化程度介于F2期和F3期之间) ;0.869和0.926 (P=0.153) (肝纤维化程度介于F3期和F4期之间) ;0.911和0.945 (P=0.331) (F4期) 。由此得出在诊断中重度肝纤维化时ARFI具有较高的诊断精确度, 但是对于轻度肝纤维化瞬时弹性成像的精确度较高。

采用ARFI技术对肝纤维化进行分级的同时, 一些学者也给出了健康志愿者肝组织的剪切波速。沈文等[10]研究显示, 正常男性肝组织的声触诊组织量化值为0.79~1.57m/s, 女性为0.74~1.40m/s。Gallotti等[11]研究得出健康志愿者肝剪切波速的平均值为1.59m/s;而Goertz等[12]研究发现健康志愿者肝剪切波速的平均值为1.09m/s。至今正常肝剪切波数值尚无明确的标准, 需要继续研究。

一些学者对在用ARFI技术评价肝纤维化过程中的一些影响因素进行了初步研究。Toshima等[13]用ARFI技术对103名受试者分别测量肝左、右叶的肝剪切波速, 表明肝左、右叶的剪切波速均与活检的肝纤维化分级有很好的相关性, 但是肝右叶测值的标准差明显低于肝左叶, 所以肝右叶的剪切波速比肝左叶能更精确地诊断肝纤维化。Horster等[14]采用4C1和4V1两种探头分别从肋间和肋下测量肝剪切波速, 发现4V1探头肋间径路与肋下径路剪切波速有差别, 而4C1

探头肋间径路和肋下径路的剪切波速无差别, 说明4C1探头测量的数值较稳定, 且4C1肋间径路的成功率高于肋下径路。所以在运用ARFI技术时, 选择4C1肋间径路较适宜。该研究还发现在测量肝剪切波速时, 受检者鼓气与否对结果无影响, 所以ARFI技术有望成为评价心血管疾病患者肝纤维化的新工具。

1.2 脂肪肝

脂肪肝在国内成为仅次于病毒性肝炎的第二大肝病, 是隐蔽性肝硬化的常见原因。Yoneda等[15]将ARFI技术用于非酒精性脂肪肝, 各期非酒精性脂肪肝纤维化的剪切波速分别为1.040m/s (F0) 、1.120m/s (F1) 、1.130m/s (F2) 、1.780m/s (F3) 、2.180m/s (F4) 。ARFI的剪切波速与非酒精性脂肪肝的纤维化程度呈明显正相关。张大鹃等[16]研究发现, ARFI测值与脂肪肝程度呈正相关, 随着脂肪肝程度加重, 肝脏ARFI测值逐渐增高。金清等[17]研究发现, 非酒精性单纯性脂肪肝患者的剪切波速[ (0.93±0.10) m/s]明显低于正常人[ (1.13±0.01) m/s], 由ROC曲线获得肝右叶剪切波速≤1.06m/s为ROC曲线上的最佳临界点。由此当肝组织剪切波速≤1.06m/s时, 需要考虑到患者可能存在非酒精性单纯性脂肪肝。而另几项研究认为肝脂肪变性不影响ARFI的剪切波速[5]。上述结论的差异可能是由于脂肪肝分为单纯性脂肪肝、脂肪性肝炎、脂肪性肝纤维化和脂肪性肝硬化, 而单纯性脂肪肝是低倍镜下1/3以上的肝细胞脂肪变性和脂肪贮积, 但无其他明显组织学改变, 即无炎症、坏死和纤维化。所以ARFI的剪切波速测值会较正常肝组织小, 而其他脂肪肝类型伴随纤维化, 剪切波速相应增大。将脂肪变性与纤维化独立开, 分别讨论, 剪切波速主要受纤维化程度的影响, 即得出脂肪变性对剪切波速无影响的结论。

1.3 肝肿瘤ARFI技术对于鉴别

诊断肝脏肿瘤及评价治疗肝脏肿瘤的方法具有一定的价值。Fahey等[19]用ARFI技术与B超分别检查原发性肝癌和转移性肝癌, 发现ARFI技术用于原发性肝癌的图像平均对比度分别为7.5d B和9.3d B, 而B超的对比度分别为2.9d B、3.1d B。此外, ARFI技术比B超能较清晰地显示肿瘤的边缘。Cho等[19]采用ARFI技术对转移性肝癌及胆管细胞癌、原发性肝癌、肝血管瘤病灶进行测量, 发现剪切波速分别为 (2.18±0.96) m/s、 (2.45±0.81) m/s、 (1.51±0.71) m/s, 剪切波速在原发性肝癌和肝血管瘤组间有显著差异, 与B超图像相比, VTI图像对68%的病灶能显示同等程度或更清晰的边界。王文伟等[20]研究发现, 慢性肝病并发肝癌患者其肿瘤边缘部剪切波速[ (3.36±0.97) m/s]与慢性肝病背景有显著差异。肿瘤的中央ARFI值较低, 边缘则较高, 与病理组织学变化相符。ARFI技术有望成为鉴别和诊断肝脏肿瘤的新技术。

ARFI技术可与肝脏肿瘤消融术联合运用。Kwon等[21]运用VTI技术发现原发性肝癌比周围肝实质亮, 消融术后位点比周围肝实质和原发位点更暗, 而在消融术后位点周边复发的肝癌更亮, 并且其边缘比在B超中更清晰。因此, ARFI技术对于诊断肝癌消融术后复发和监测复发性肝癌的消融过程具有较好的发展前景。Fahey等[22]将ARFI技术用于监控组织消融术, 发现其能成功识别传统超声成像中无法识别的组织消融区域。所显示的化学消融和热消融区域与病理学检查结果具有良好的一致性。

在B超介导的对肝肿瘤进行消融术、穿刺活检中, 常常会遇到针尖显示不清的情况, Rotemberg等[23]从理论上和体外实验中证实ARFI技术较B超能更清晰地对针尖进行定位, 但有待进一步验证。

1.4 肝淤血和肝缺血

黄品同等[24]用ARFI技术测定兔下腔静脉夹闭再开放后肝弹性, 发现下腔静脉夹闭前和重新开放20min后的剪切波速明显高于下腔静脉夹闭后, 而重新开放后低于夹闭前。由此可知, 兔下腔静脉夹闭20min后对肝弹性影响不大, 提示ARFI技术可用于评价淤血性肝疾病的转归, 及对外科手术阻断下腔静脉具有重要指导意义。王力等[25]在对兔肝门静脉和肝动脉进行阻断后, 用ARFI技术得出不同时间段的肝剪切波速, 并与相对应时间段的血清标志物进行比较, 发现ARFI技术能早期准确、客观地反映肝缺血损伤的严重程度。

2 ARFI技术的应用前景

ARFI技术是近年兴起的超声影像学新技术, 它不仅比B超显示图像有更高的对比度, 而且具有无创、无痛、快速等优点, 其弹性成像技术比瞬时弹性成像技术操作更简便、应用更广泛、效果更突出, 且对肝纤维化的诊断具有较高的准确性和较好的重复性。在对肝纤维化的诊断方面有望代替病理组织活检。ARFI是超声影像技术的一次伟大进步和革新。然而目前对ARFI技术诊断肝纤维化尚需要进行多中心、大样本临床研究, 以建立适应我国人群的肝纤维化弹性量化诊断标准, 进一步推广ARFI测值的临床应用。ARFI在国内一些医院已应用于临床, 在不久的将来, ARFI可能作为肝病患者的一项常规检查。目前对肝组织METAVIR纤维化分期相对应的剪切波速测定的界限值尚未固定, 因此需要积累更多的临床资料。相信随着临床应用的增多及经验的积累, ARFI将会在肝病的临床诊治中发挥重要作用。

声辐射器 篇7

关键词：超声检查,声辐射力脉冲成像,VTQ,乳腺肿瘤

近年来, 乳腺恶性肿瘤在我国妇女恶性肿瘤中的发病率已上升至第一位[1,2,3,4,5,6,7,8,9]。随着社会文明进步及自我保健意识的提高, 进行乳腺超声检查的患者也在不断增加, 目前常规超声已成为乳腺肿块最主要的筛查方法, 但常规超声对鉴别乳腺肿块的病理性质有一定的局限性。因此, 寻求一种新的诊断乳腺肿瘤的方法, 以期达到早发现、早诊断及早治疗。从而, 提高乳腺肿瘤患者的诊断率、治愈率、生存率及生存质量是十分必要。随着超声技术的发展, 声脉冲辐射力成像 (ARFI) 用于乳腺疾病筛查为诊断乳腺疾病提供了新的诊断方法。ARFI作为弹性成像技术的新发展, 是超声医学发展史上的一次重要技术变革。与常规超声不同, 其通过检测组织和病灶的弹性来进行诊断, 文献报道 ARFI 对乳腺肿块的良恶性具有较高的鉴别诊断价值[2,3]。1991年Ophir等人最早提出了弹性成像这一概念[4], 近年来弹性成像得到了迅速发展, 通过评价病灶的软硬度来协助临床医生诊断其良恶性, 增强诊断信心。Nightingale等[6]在2001年报道了声脉冲辐射力成像技术 (acoustic radiation force impulse ARFI) 在乳腺肿瘤上的应用, 该技术可以定性判断和定量测量乳腺肿瘤硬度和弹性, 为乳腺肿瘤的良恶性的鉴别诊断提供重要依据, 并且同时为乳腺疾病的诊断提供了一种新的方法。Krouskop等[5,6,7,8,9,10]研究发现, 乳腺恶性肿块的硬度是良性肿块的2～3倍, 并对乳房内各组织的弹性系数进行研究, 发现浸润性导管癌>导管内原位癌>乳房纤维组织>正常乳腺组织>脂肪组织, 该研究结果, 同样也成为了声脉冲辐射力成像技术进行乳腺肿瘤良恶性鉴别诊断的重要依据。

1 资料与方法

1.1 研究对象

选用我院2011-11～2012-11就诊的女性患者, 共60例, 85个肿物, 年龄19～70岁, 平均 (35.9±11.5) 岁。肿块最大直径为4.5～38.0mm, 平均 (15.5±8.1) mm。85个乳腺肿物均经手术及病理证实。

1.2 仪器与方法

1.2.1 仪器:

彩超声诊断仪采用西门子公司生产的SiemensAcuson S2000, 高频探头为9L4, 频率为4.0～9.0MHz。在配备有ARFI技术, 可进行VTQ检测, 得到肿物的剪切波速度 (shear wave velocity, SWV) 。

1.2.2 研究方法 :

先行检查模式为常规二维超声模式, 检查体位为侧卧位或者仰卧位, 并记录乳腺肿块的大小、形态、边界、内部的回声及周边组织的界限, 然后采用彩色多普勒及频谱多普勒条件, 观察乳腺肿瘤的内部及周边血流情况, 并测量其频谱及流速。再进入ARFI诊断技术中的VTQ模式 (见图1) , 测量时要求患者屏住呼吸, 每个部位均测量三次以上, 求平均值作为最终的VTQ值。机器设定的SWV值为0～9m/s。多次测量病灶内的 SWV 值, 无明确数值显示, 排除错误的操作方法后, 反复测量仍然没有数值显示, 我们可以判定其 SWV值超过9m/s的上限值, 我们将这类超过9m/s的上限值均记录为9m/s。

1.3 统计学方法

采用软件SPSS16.0进行统计分析。计量资料采用平均值±标准差表示, 检验方法采用独立t检验, 并进行两两比较, P<0.05时具有统计学意义。构建受试者工作特征曲线 (ROC 曲线) , 并计算曲线下面积 (AUC) 及Youden 指数, 根据Youden 指数最大值所对应的 VTQ 值作为临界值。

2 结果

2.1 病理结果

乳腺肿块共计85个, 其中有56个肿块为良性, 29个肿块为恶性。良性肿块中:包括23个纤维瘤 (其中包括3个肿块合并钙化) , 8个纤维囊性乳腺病, 6 个纤良性叶状肿瘤, 6个管状腺瘤, 5个慢性化脓性炎, 2个潴留囊肿合并感染, 6个导管乳头状瘤。恶性肿块中:包括13个浸润性导管癌, 5个原位癌, 4个导管内癌, 3个导管癌伴微浸润, 1个浸润性微乳头状癌, 3个恶性叶状肿瘤。

2.2 良恶性乳腺肿块

VTQ值的比较

良性肿块VTQ值 (2.66±0.36) m/s;恶性肿块VTQ值 (4.74±0.94) m/s。良性与恶性肿块的VTQ 值之间具有统计学差异 (P<0.01) 。

2.3 诊断的金标准以病理结果为准, 根据VTQ的测量值来构建ROC

曲线 (见图2) , 并计算出ROC曲线下的面积为0.83。最大的Youden指数值为0.617, 该点所对应的VTQ值为3.20m/s。以此VTQ 值为界点, 判断乳腺良、恶性肿瘤的特异性为82.76%、敏感性为78.95%、准确性分别为81.18%。

3 讨论

声脉冲辐射力成像技术是近期兴起一种全新的评价组织弹性硬度的超声成像技术。该方法也称为声触诊组织量化技术 (virtual tough tissues quantifica-tion, VTQ) , 可以实时二维超声图像, 检测特定区域组织的弹性硬度。 其基本原理是依靠超声探头发射低频声脉冲波向指定的区域, 使得组织内部产生局部的微小形变, 通过测量该区域受力后产生的横向低频剪切波速度 (shear wave velocity, SWV) 来实现对组织硬度的定量分析。组织的硬度越大, 其剪切波传播的速度就越快, SWV测得值就越大, 反之组织硬度越小, 剪切波传播的速度就越慢, SWV测得值就越小。Krouskop等[5]研究发现, 乳腺恶性肿块的硬度是良性肿块的 2～3倍, 并对乳房内各组织的弹性系数进行研究, 发现浸润性导管癌 > 导管内原位癌>乳房纤维组织>正常乳腺组织>脂肪组织, 所以ARFI 完全适用于乳腺疾病的诊断。本组采用ARFI对乳腺良恶性肿块进行检测, 结果显示 ARFI 鉴别诊断肿块良恶性的敏感性、特异性和准确性分别为78.95%、82.76%、81.18%, 显示出ARFI对乳腺良恶性肿块检测明显优势。ARFI可较为客观地反映乳腺肿瘤病灶的弹性变化, 且ARFI技术操作简便, 检测的可重复性较好, 且经济、简便, 为乳腺良恶性肿瘤鉴别诊断提供帮助。

然而, 这种方法存在一定的局限性, 首先机器自定取样框为0.5cm×0.5cm, 是不可调节的, 而实际检测中肿块的大小数值波动较大。对于较小的病灶, VTQ测量时取样框有可能把周边的组织也包括进去, 所测得的 SWV值并不能反映出病灶的真实测量数值, 其原因所测得的 SWV有可能是病灶与其周边组织的共同数值。对于比较大的病灶来说, VTQ 测量时, 能真实、准确反映肿物实际SWV值的取样框的位置, 及其所放置的位置是否对肿物的SWV值是否有影响, 这些都问题有待进一步探讨。据报道[8], 由于液体不会产生横向剪切波, VTQ测量时, 囊性病灶测量结果为无数值, 而当病灶硬度较大时, 其VTQ测量时, 测量结果也是无数值, 其测值也可能表示为超过机器本身所设定的9m/s上限范围, 两者有可能会产生相混淆。对于质地较硬及硬度较低的病灶, ARFI检测可能出现漏诊, 为提诊断的准确性, 应结合其他检查方法综合判定。

因此, 如何更好的应用ARFI技术判断乳腺肿瘤的良恶性需要进一步研究。

参考文献

[1]Hakison S, Hunter D, Breast canser.In:Adam HO, Hunter D, Tri-chopoulos D (eds) .Textbook of Cancer Epidemiology[M].NewYork, NY:Oxford University Press, 2002, 300-339

[2]王荣, 王兴田, 胡春梅, 等.声脉冲辐射力成像对乳腺肿块鉴别诊断价值的初步研究[J].中华超声影像学杂志, 2012, 21 (2) :142-145

[3]熊华花, 李泉水, 陈胜华, 等.声脉冲辐射力弹性成像检测乳腺良恶性肿块硬度的初步研究[J].临床超声医学杂志, 2012, 14 (6) :366-369

[4]Ophi, Cespedes L, Ponnekanti H, et al.Elastography:a quantita-tive method for imaging the elasticity of biological tissues[J].Ultra-sonic Imaging, 1991, (13) :111-134

[5]Krouskop T A, Wheeler T M, Kallel F, et al.Elastic moduli of brea-stand prostate tissues under compression[J].Ultrasonic Imaging, 1998, 20 (4) :260-274

[6]Nightingale K, Soo MS, Nightingale R.Acoustic radiation force im-pulse imaging:in vivodemonstration of clinical feasibility[J].Ultra-sound in Medicine and Biology, 2002, 28 (2) :227-235

[7]Macías Rodríguez MA, Rendón Unceta P, Navas RelinqueC, et al.Ultrasonography in patients with chronic liver disease, its usefulnessin the diagnosis of cirrhosis[J].Rev Esp Enferm Dig, 2003, 95 (4) :258-264

[8]Bolondi L, Li Bassi S, Gaiani S, et al.Liver cirrhosis:changes ofDopplerwaveform of hepatic veins[J].Radiology, 1991, 178 (2) :513-516

[9]王新, 许秋实, 李壮, 等.乳腺癌COX-2、bFGF的表达及临床意义[J].黑龙江医药科学, 2010, 33 (5) :55-56