球面聚焦聲場(chǎng)自易法從GB/T 32522-2016到IEC TS 62903-2018的技術(shù)進(jìn)步

壽文德，胡濟(jì)民，余立立，胡兵

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球面聚焦聲場(chǎng)自易法從GB/T 32522-2016到IEC TS 62903-2018的技術(shù)進(jìn)步

壽文德1,2，胡濟(jì)民3，余立立4，胡兵1

(1. 上海醫(yī)學(xué)超聲研究所，上海 200233；2. 上海交通大學(xué)，上海 200030；3. 江蘇省醫(yī)療器械檢驗(yàn)所，江蘇南京 210022；4. 上海海事大學(xué)，上海 201306)

文章敘述了《球面聚焦超聲換能器的電聲特性和聲功率測(cè)量》的自易法校準(zhǔn)成為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法后，進(jìn)而以其為基礎(chǔ)在起草國(guó)際電工委員會(huì)技術(shù)規(guī)范的過(guò)程中，所做的主要技術(shù)進(jìn)步，包括：理論敘述的改進(jìn)、一些錯(cuò)誤概念的修正、最新研究成果的吸納、全頻段實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、測(cè)量不確定度估計(jì)等重要方面。

自易法；球面聚焦超聲場(chǎng)；電聲參數(shù)測(cè)量；國(guó)際電工委員會(huì)技術(shù)規(guī)范；標(biāo)準(zhǔn)方法

0 引言

自從2002年創(chuàng)立球面聚焦超聲換能器的自易校準(zhǔn)法后，在國(guó)內(nèi)同行專家們的共同努力下，2014年完成了相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的起草工作，發(fā)布了GB/T 23522-2016《聲學(xué) 壓電球面聚焦超聲換能器的電聲特性及其測(cè)量》。2015年以我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，成功申請(qǐng)到了起草IEC TS 62903 Ed1.0: 2018《Ultrasonics-Measurements of electroacoustical param- eters and acoustic output power of spherically curved transducers using self-reciprocity method》的中國(guó)國(guó)家提案(Nation Project, NP)項(xiàng)目。經(jīng)兩年多的工作，特別是在與德國(guó)聯(lián)邦技術(shù)物理研究院(Physikalisch- Technische Bundesanstalt,PTB)超聲理論專家K Beissner的理論交流和融合過(guò)程中，技術(shù)上有了重要的實(shí)質(zhì)性改進(jìn)，規(guī)范方法更趨完善，已于2018年1月出版發(fā)行。本文就IEC TS中對(duì)GB/T的實(shí)質(zhì)性技術(shù)修改補(bǔ)充，做概略介紹。希望讀者在執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，能對(duì)實(shí)驗(yàn)做必要的改進(jìn)，以免出錯(cuò)。

1 基本方法

在IEC TS 中糾正了GB/T中將測(cè)量中的焦平面規(guī)定為最大聲壓焦平面(焦距pres)的錯(cuò)誤，而將其規(guī)定為幾何焦平面和幾何焦距geo。理由是：geo是發(fā)射球面的曲率半徑，是常數(shù)。pres是隨聲速和頻率改變的變量。所有聚焦換能器聲場(chǎng)的理論，都是基于geo=發(fā)展起來(lái)的。在適用頻率的低端500 kHz時(shí)，這兩個(gè)焦距存在較大的差別。這一修改，反而簡(jiǎn)化了測(cè)量步驟。無(wú)需再用水聽(tīng)器尋找geo。據(jù)此，在整個(gè)IEC TS中只使用幾何焦距和幾何焦平面，原來(lái)GB/T中的所有pres符號(hào)全部改成geo。

第二步，水槽里在被測(cè)換能器的幾何焦平面附近設(shè)置不銹鋼平面反射器。使用猝發(fā)聲信號(hào)發(fā)生器激勵(lì)換能器，調(diào)節(jié)換能器的距離、方位和俯仰角，使其收到的第一回波信號(hào)最大，且回波渡越時(shí)間與聲速的乘積是2geo。測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 自易法測(cè)量球面聚焦換能器的電聲參數(shù)和聲功率的裝置示意圖

發(fā)射電流響應(yīng)：

Fig.2 Waveshapes of measured voltage and current in self-reciprocity calibration for a spherically curved focusing trnsducer

發(fā)射電壓響應(yīng)：

電壓靈敏度：

輸出聲功率：

輻射電導(dǎo)：

2 規(guī)范了球面自聚焦換能器自易法校準(zhǔn)和聲功率測(cè)量的適用范圍

2.1 頻率范圍

用自易法對(duì)頻率為500 kHz、1.92 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz的5種換能器做了測(cè)量，做了重復(fù)性試驗(yàn)(=6)。取得了一系列測(cè)量數(shù)據(jù)和不確定度估計(jì)值，驗(yàn)證了規(guī)范預(yù)設(shè)0.5～15 MHz范圍的適用頻率范圍和測(cè)量不確定度參考值(見(jiàn)表1)。

2.2 規(guī)定了適用的被測(cè)換能器線性范圍的準(zhǔn)則和檢驗(yàn)方法

為保證被測(cè)換能器在線性范圍內(nèi)工作，規(guī)范中補(bǔ)充了如下內(nèi)容：

(2) 換能器的線性范圍檢驗(yàn)：在換能器表面黏貼小片聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride, PVDF)，傳感器，用來(lái)測(cè)定表面振幅信號(hào)，要求值起伏≤5%。

2.3 衍射修正系數(shù)數(shù)值表列表的適用范圍：

式(8)中：為換能器的虛象面(見(jiàn)圖3)上的平均聲壓。

(1) 聚焦半角范圍

表1 5個(gè)換能器的測(cè)量結(jié)果和不確定度估計(jì)數(shù)據(jù)

(3) 聲功率測(cè)量法的理論基礎(chǔ)完善和計(jì)算準(zhǔn)確性依據(jù)

借助于同濟(jì)大學(xué)錢夢(mèng)騄等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[7]和武漢數(shù)學(xué)物理所程建政等的研究[8]，我們斷定在幾何焦域附近，聲波是近似呈平面行波的波陣面?zhèn)鞑サ摹Ｒ虼嗽趲缀谓蛊矫嬷行母浇?，焦斑附近的各點(diǎn)處聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速的相位差是相同的，聲壓是以Jinc函數(shù)方式分布的。

其中：為總聲功率P中通過(guò)球缺面的那部分聲功率所占的分?jǐn)?shù)。

當(dāng)較小時(shí)，即≈0，sec≈1，則

圖5 在幾何焦平面上的函數(shù)Ga(kasinθ), 衍射圖案F0(kasinθ) 和F02(kasinθ)[6]

(注：圖5中的橫坐標(biāo)=sin即為本文中的)

Fig.5 The functions ofG(sin), diffraction pattens of0(sin) and02(sin) on geometric focal plane[6]

(Note: abscissa=sinin Fig.5, i.e.in the text)

表2 在β≤45°條件下與不同的x = kasinθ值相應(yīng)的Ga數(shù)值表 (按照O’Nail的公式(12)求得，見(jiàn)參考文獻(xiàn)[6])

因此同時(shí)滿足式(13)、(14)的聲強(qiáng)積分上限應(yīng)該符合下列不等式：

表3 對(duì)應(yīng)于Ga= 0.94, 0.95, 0.96, 0.97, 0.98, 0.99和β的 (R/λ)min數(shù)值表

注: ()min=/{2psinsin[arctan(1/2sinβ)]}數(shù)值分別對(duì)應(yīng)于G=0.94. 0.95. 0.96. 0.97. 0.98. 0.99 (即=sin=10, 12, 15.5, 21.2, 31.4, 64.1)

3 結(jié)束語(yǔ)

由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)向國(guó)際規(guī)范升級(jí)的過(guò)程中，在理論敘述的改進(jìn)、一些錯(cuò)誤概念的修正、最新研究成果的吸納、全頻段實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、新測(cè)量細(xì)則的增補(bǔ)、測(cè)量不確定度估計(jì)等重要方面取得了重要的技術(shù)提高。實(shí)現(xiàn)了從粗放型標(biāo)準(zhǔn)向精確型標(biāo)準(zhǔn)的跨躍。把我國(guó)創(chuàng)立的球面自聚焦換能器的自易校準(zhǔn)法推廣到世界，成為IEC國(guó)際規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)方法。

致謝 在起草IEC 技術(shù)規(guī)范的過(guò)程中，Klaus Beissner、Volker Wilkens和Tim Etchells以及德國(guó)、日本、俄羅斯和捷克的國(guó)家委員會(huì)都作出了許多貢獻(xiàn)。還得到了邢廣振、楊平、錢夢(mèng)騄、程茜、張德俊、杜功煥等專家在實(shí)驗(yàn)和學(xué)術(shù)上的支持，特致謝忱。

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The technical progress of self-reciprocity method into IEC TS62903-2018 from GB/T32522-2016

SHOU Wen-de1，2, HU Ji-min3, YU Li-li4, HU Bing1

(1. Shanghai Institute of Ultrasound in Medicine, Shanghai 200233, China; 2. Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China;3. Jiangsu Province Institute for Medical Equipment Testing, Nanjing 210022, Jiangsu, China;4. Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

This paper describes the major technical improvements in drafting IEC TS 62903 Ed1.0: 2018 based on GB/T 32522-2016, in which the self-reciprocity calibration method is defined as the national standard method in China. These improvements include the theoretical expression, the corrections of some error concepts, applications of new research results, the experimental verification in full frequency range, and the evaluation of measurement uncertainty etc.

self-reciprocity method; spherically focused ultrasonic field; electroacoustical parameter measurement; Technical Specifications for the International Electrotechnical Commission (IEC-TS); standard method

TB552

A

1000-3630(2018)-06-0607-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.06.017

2018-03-04;

2018-06-16

壽文德(1941－), 男, 浙江諸暨人, 教授, 研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)超聲學(xué)與標(biāo)準(zhǔn)化。

壽文德, E-mail: wdshou@163.com