MHz頻段超聲功率校準中半消聲水罐的設計與驗證

黃勇軍 朱學文 王照霞

（第七一五研究所，杭州，310023）

聲功率是發(fā)射換能器和基陣設計的主要技術指標之一，常用的校準方法有聲壓法、聲強法和近場法。而對于幾百kHz水聲發(fā)射器聲功率的校準，隨著頻率增高，波長變短，指向性變得更尖銳，遠場測量距離更遠，對檢測水聽器的尺寸、一致性和線性都提出了更高的要求，常用的校準方法已不太適用。

國際電工委員會的超聲技術委員會推薦輻射壓力法為 MHz頻率范圍內液體中超聲功率測量的方法[1]。輻射壓力法是一種絕對的基本測量技術，沒有近場和遠場的限制，能直接測得總的輻射聲功率值，且測量裝置簡單，易于操作和校準。

利用輻射壓力法實現(xiàn)聲功率校準有多種實現(xiàn)方法：磁電式力平衡機構抵消法、電子天平測量法、荷重傳感器測量法、懸鏈系統(tǒng)測量法等，每種實現(xiàn)方式的裝置組成雖各有不同，但靶作為截取聲波能量的設備必不可少。靶可分為吸收靶和反射靶，吸收靶吸收熱量后產(chǎn)生溫升可能會對校準結果產(chǎn)生影響，本文選用反射靶構建裝置。

利用反射靶進行功率測量時，充滿水的測量水罐內要布置輻射聲波的發(fā)射器和能截取全部輻射力的反射靶。通常為了避免側壁反射波對測量結果的影響，水罐圓周和上下內表面都要貼敷吸聲材料。準備工作階段，只能從水罐上部觀察、調整靶的初始狀態(tài)；全覆蓋狀態(tài)下，發(fā)射器與反射靶的距離無法確認，太近，會使反射波直接回到發(fā)射器表面，而工作距離太遠，反射靶可能就無法截取到絕大多數(shù)的輻射聲波，這樣就會影響校準結果，因此一般需要改變多個距離測量來確保結果的準確性。

本文提出的半消聲水罐，是一種上下內表面貼敷足夠吸聲材料，側壁光滑透明的圓柱型水罐，利用反射靶在此水罐內開展超聲功率測量，可全方位確認靶的初始狀態(tài)，實時觀察測量過程，提高測量有效性和工作效率。

1 工作原理

1.1 聲輻射力原理

輻射壓力法建立在對超聲波的輻射聲壓進行測量的基礎上。在小振幅平面超聲場中，在兩種媒質的交界面上會出現(xiàn)時間平均的單向壓力即輻射壓力，其值等于界面兩邊聲能密度的差值。在界面上產(chǎn)生的輻射壓力，可用置于超聲場中的靶來測量。如果障礙物（靶）的尺寸明顯大于聲波的波長和超聲波波束的寬度，則超聲波對靶產(chǎn)生輻射壓力F，力F與發(fā)射頻率無關，而靶收集（攔截）到超聲波波束內的總聲功率為：

式中，P表示超聲換能器輻射的總聲功率，W；F表示超聲波沿換能器軸線方向作用于靶上的力，N；c表示超聲波在液體中的傳播速度，m/s；R表示在兩種介質的交界處（邊界層）的聲波的反射系數(shù)；β表示靶面法線與入射聲束之間的夾角。

對于理想的反射型靶，其被測功率

懸鏈反射靶校準裝置是輻射力法校準聲功率的一種實現(xiàn)方式。在充滿水的水罐內，懸浮著一個完全浸沒于水中的空心靶，靶上拖著細鏈，細鏈的上端固定在水罐。超聲波在入射到靶上時能夠實現(xiàn)全反射。對于這種布置（見圖1），細鏈的重量分布在它的懸掛點（測量水罐壁和靶的底部）之間。對處于不同浸沒深度的靶，當細鏈向下拉扯部分的重量與靶的正浮力相互抵消時，靶就可以達到平衡。

靶的位移與超聲輻射力成正比，輻射力可由公式（3）得到：

式中，x表示靶的位移，ρl表示細鏈在水中的線密度。g表示重力加速度。

圖1 水罐內布置圖

1.2 半消聲水罐設計思路

水罐是懸鏈反射靶聲功率校準裝置的重要組成部分，全消聲水罐上下和側壁全部敷設吸聲材料，雖能較好地消除各界面反射對校準的影響，但也對輻射器工作姿態(tài)的調節(jié)和聲場條件的確認造成許多不便。半消聲水罐的使用則可彌補這些不足。

半消聲水罐是指上下內表面覆蓋了吸聲材料、側壁光滑透明的圓柱型水罐。在半消聲水罐開展超聲功率校準工作時，主要是控制側壁反射信號不要入射到輻射器表面以免對校準結果造成影響。從圖2可見，當圓柱形發(fā)射器一側邊緣發(fā)射的聲波經(jīng)靶反射后恰好從另一邊緣穿出而不落在發(fā)射器上時，圓柱形發(fā)射器到靶頂之間的距離為從靶到發(fā)射器之間的最短距離Lmin。因此，為了使發(fā)射的聲波經(jīng)水罐的側壁反射后不再落在發(fā)射器上，應確定發(fā)射器與靶頂之間的最小工作距離Lmin：

式中，d為超聲發(fā)射器的直徑；2θ為凹形反射靶的圓錐頂角。

圓柱形發(fā)射器發(fā)射的聲波直接到達罐壁或經(jīng)靶反射后產(chǎn)生多途效應（如圖3所示）。當入射靶頂?shù)穆暡ń?jīng)靶面、罐壁二次反射后從最靠近換能器的邊緣穿出而不影響換能器時，此時發(fā)射器和靶頂之間的距離為最大工作距離Lmax為：

式中，D為半消聲水罐的直徑。

圖2 確定從靶到發(fā)射器之間的最短距離 Lmin的示意圖

圖3 聲波的多途反射示意圖

2 實驗及分析

對于懸鏈反射靶聲功率校準裝置來說，靶位移測量的準確與否直接影響聲功率校準的精度。而靶的位移是輻射聲波綜合作用的結果，若罐壁存在反射，輻射力和靶位移之間的線性關系就會受到影響。為此，半消聲水罐與懸鏈反射靶構成的系統(tǒng)性能可以通過線性進行驗證。

選用亞克力透明材料制作了內徑為150 mm、高度為300 mm的圓柱形水罐，用直徑為100 mm的中空倒圓錐反射靶。

半消聲水罐與懸鏈反射靶構成的系統(tǒng)性能驗證分兩部分：一是確定系統(tǒng)里反射靶位移的線性；二是確定輻射聲功率的線性。首先在靶上添加不同等分的固定質量以檢查靶位移的線性，實驗通過多個小鋼珠完成，用圖4（a）中Φ2 mm的小鋼珠。在水中處于零浮力、靜態(tài)平衡狀態(tài)的反射靶上輕放質量已知的不同個數(shù)的鋼珠，放置方式如圖4（b）所示。按順序記錄不同質量情況下靶的位移，利用Excel圖表繪出當施加在靶上的質量變化時靶的位移變化曲線。

圖4 反射靶位移線性及聲功率檢測布置圖

圖5（a）是反射靶所承受質量與靶位移之間的關系圖，可以看出測量數(shù)據(jù)的連線基本為一直線，位移與質量之比為常數(shù)，表明系統(tǒng)本身具有很好的線性。

然后再用實際的換能器發(fā)射，在半消聲水罐中校準輻射聲功率，圖4（c）是聲功率校準的聲場布置圖：凹形反射靶懸浮在水罐中，水罐的上下內表面敷貼了吸聲材料，側壁保持光潔透明。安裝在水罐上蓋板的換能器發(fā)射頻率為500 kHz，直徑為Φ60 mm，凹形反射靶的圓錐頂角為130°，根據(jù)公式（4）可算出換能器和靶頂之間的最小距離為64.5 mm。調節(jié)好反射靶和換能器之間的距離后，記錄換能器的輻射功率從小到大變化時反射靶的位移，繪制出換能器輻射聲功率與靶位移之間的關系曲線如圖5（b）所示。圖中輻射聲功率與靶位移之間的比值為常數(shù)，發(fā)射換能器有良好的功率線性，同時也表明在滿足最小距離的情況下，半消聲水罐側壁反射回來的聲波都能很好地由上下蓋板的吸聲材料吸收，半消聲水罐可有效實現(xiàn)輻射聲功率的校準。

圖5 半消聲水罐懸鏈反射靶系統(tǒng)檢測結果

3 結論

一般換能器隨著頻率降低、輻射面增大、波束角變寬、所需靶尺寸變大，導致靶的研制難度增加、可靠性變差，校準結果的不確定度也會變大，因此輻射壓力法常用于開展 MHz頻段輻射聲功率的校準。在懸鏈反射靶校準裝置中，作為對全消聲水罐的有益改進，使用半消聲水罐可有效實施發(fā)射器與反射靶的精確調準，確保靶位鉛直無偏移；而且便于發(fā)現(xiàn)藏匿的氣泡，對其進行有效驅除，保證校準結果的準確可靠。

雖然公式（5）表明，在換能器尺寸一定的情況下，只要半消聲水罐直徑足夠大，發(fā)射器和靶頂之間的最大工作距離是沒有限制的。但在實際應用中，應考慮距離太遠時有可能存在反射靶截取能量不足、聲波衰減，以及水罐尺寸太大造成反射靶平衡時間太長、位置讀取不準等情況。因此，應合理設計半消聲水罐的尺寸。