球面聚焦声场自易法从GB/T 32522-2016到IEC TS 62903-2018的技术进步

寿文德，胡济民，余立立，胡兵



球面聚焦声场自易法从GB/T 32522-2016到IEC TS 62903-2018的技术进步

寿文德1,2，胡济民3，余立立4，胡兵1

(1. 上海医学超声研究所，上海 200233；2. 上海交通大学，上海 200030；3. 江苏省医疗器械检验所，江苏南京 210022；4. 上海海事大学，上海 201306)

文章叙述了《球面聚焦超声换能器的电声特性和声功率测量》的自易法校准成为国家标准方法后，进而以其为基础在起草国际电工委员会技术规范的过程中，所做的主要技术进步，包括：理论叙述的改进、一些错误概念的修正、最新研究成果的吸纳、全频段实验验证、测量不确定度估计等重要方面。

自易法；球面聚焦超声场；电声参数测量；国际电工委员会技术规范；标准方法

0 引言

自从2002年创立球面聚焦超声换能器的自易校准法后，在国内同行专家们的共同努力下，2014年完成了相关国家标准的起草工作，发布了GB/T 23522-2016《声学 压电球面聚焦超声换能器的电声特性及其测量》。2015年以我国国家标准为基础，成功申请到了起草IEC TS 62903 Ed1.0: 2018《Ultrasonics-Measurements of electroacoustical param- eters and acoustic output power of spherically curved transducers using self-reciprocity method》的中国国家提案(Nation Project, NP)项目。经两年多的工作，特别是在与德国联邦技术物理研究院(Physikalisch- Technische Bundesanstalt,PTB)超声理论专家K Beissner的理论交流和融合过程中，技术上有了重要的实质性改进，规范方法更趋完善，已于2018年1月出版发行。本文就IEC TS中对GB/T的实质性技术修改补充，做概略介绍。希望读者在执行国家标准时，能对实验做必要的改进，以免出错。

1 基本方法

在IEC TS 中纠正了GB/T中将测量中的焦平面规定为最大声压焦平面(焦距pres)的错误，而将其规定为几何焦平面和几何焦距geo。理由是：geo是发射球面的曲率半径，是常数。pres是随声速和频率改变的变量。所有聚焦换能器声场的理论，都是基于geo=发展起来的。在适用频率的低端500 kHz时，这两个焦距存在较大的差别。这一修改，反而简化了测量步骤。无需再用水听器寻找geo。据此，在整个IEC TS中只使用几何焦距和几何焦平面，原来GB/T中的所有pres符号全部改成geo。

第二步，水槽里在被测换能器的几何焦平面附近设置不锈钢平面反射器。使用猝发声信号发生器激励换能器，调节换能器的距离、方位和俯仰角，使其收到的第一回波信号最大，且回波渡越时间与声速的乘积是2geo。测量系统如图1所示。

图1 自易法测量球面聚焦换能器的电声参数和声功率的装置示意图

发射电流响应：

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

发射电压响应：

电压灵敏度：

输出声功率：

辐射电导：

2 规范了球面自聚焦换能器自易法校准和声功率测量的适用范围

2.1 频率范围

用自易法对频率为500 kHz、1.92 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz的5种换能器做了测量，做了重复性试验(=6)。取得了一系列测量数据和不确定度估计值，验证了规范预设0.5～15 MHz范围的适用频率范围和测量不确定度参考值(见表1)。

2.2 规定了适用的被测换能器线性范围的准则和检验方法

为保证被测换能器在线性范围内工作，规范中补充了如下内容：

(2) 换能器的线性范围检验：在换能器表面黏贴小片聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride, PVDF)，传感器，用来测定表面振幅信号，要求值起伏≤5%。

2.3 衍射修正系数数值表列表的适用范围：

式(8)中：为换能器的虚象面(见图3)上的平均声压。

(1) 聚焦半角范围

表1 5个换能器的测量结果和不确定度估计数据

(3) 声功率测量法的理论基础完善和计算准确性依据

借助于同济大学钱梦騄等的实验结果[7]和武汉数学物理所程建政等的研究[8]，我们断定在几何焦域附近，声波是近似呈平面行波的波阵面传播的。因此在几何焦平面中心附近，焦斑附近的各点处声压与质点振速的相位差是相同的，声压是以Jinc函数方式分布的。

其中：为总声功率P中通过球缺面的那部分声功率所占的分数。

当较小时，即≈0，sec≈1，则

图5 在几何焦平面上的函数Ga(kasinθ), 衍射图案F0(kasinθ) 和F02(kasinθ)[6]

(注：图5中的横坐标=sin即为本文中的)

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°条件下与不同的x = kasinθ值相应的Ga数值表 (按照O’Nail的公式(12)求得，见参考文献[6])

因此同时满足式(13)、(14)的声强积分上限应该符合下列不等式：

表3 对应于Ga= 0.94, 0.95, 0.96, 0.97, 0.98, 0.99和β的 (R/λ)min数值表

注: ()min=/{2psinsin[arctan(1/2sinβ)]}数值分别对应于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 结束语

由国家标准向国际规范升级的过程中，在理论叙述的改进、一些错误概念的修正、最新研究成果的吸纳、全频段实验验证、新测量细则的增补、测量不确定度估计等重要方面取得了重要的技术提高。实现了从粗放型标准向精确型标准的跨跃。把我国创立的球面自聚焦换能器的自易校准法推广到世界，成为IEC国际规范的标准方法。

致谢 在起草IEC 技术规范的过程中，Klaus Beissner、Volker Wilkens和Tim Etchells以及德国、日本、俄罗斯和捷克的国家委员会都作出了许多贡献。还得到了邢广振、杨平、钱梦騄、程茜、张德俊、杜功焕等专家在实验和学术上的支持，特致谢忱。

[1] JJF 1059.1-2012 测量不确定度的评定与表示[S].

[2] BEISSNER K. Some basic relations for ultrasonic fields from circular transducers with a central hole[J]. Acoust. Soc. Am., 2012, 131(1): 620.

[3] SAPOZHNIKOV O A, SINILO T V. Acoustic field produced by a concave radiating surface with allowance for the diffraction[J]. Acoust. Phys., 2002, 48(6): 720-727.

[4] SHOU W, DUAN S, HE P, et al. Calibration of a focusing transducer and miniature hydrophone as well as acoustic power measurement based on free field reciprocity in a spherically focused wave field[J]. IEEE Trans.on UFFC, 2006, 53(3): 564-570.

[5] 寿文德, 余立立, 段世梅, 等. 球面聚焦超声换能器的电声特性和测量方法研究[J]. 声学技术, 2013, 32(5): 379-389.

SHOU Wende, YU Lili, DUAN Shimei, et al. Self-reciprocity calibration method of ultrsonic transducer as well as its application in power measurement and relation with radiation force balance method[J]. Technical Acoustics, 2014, 33(5): 445-453.

[6] O’NEIL, H T. Theory of focusing radiator[J]. Acoust. Soc. Am., 1949, 21(5): 516-526.

[7] 徐峥, 陈皓, 钱梦騄, 等. 点聚焦声场的三维纹影法成像研究[J].声学技术, 2014, 33(2): 202-204.

XU Zheng, CHEN Hao, QIAN Menglu, et al. Visualization of point-focusing ultrasonic field by three-dimensional schlieren method[J]. Technical Acoustics, 2014, 33(2), 202-204.

[8] 程建政, 周玉禄, 毛彦欣, 等. 基于瑞利积分叠加法的聚焦换能器声场特性研究[J]. 计算物理, 2008, 25(4): 293-298.

CHEN Jianzheng, ZHOU Yulu, MAO Yanxin, et al. Study of acoustic field characteristics of focusing transducer based on the super-position method of Rayleigh integral[J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2008, 25(4): 293-298.

[9] CATHIGNOL D, SAPOZHNIKOV O A. On the application of the Rayleigh integral to the calculation of the field of a concave focusing radiator[J]. Acoust. Phys., 1999, 45(6): 735-742.

[10] BEISSNER K. On the lateral resolution of focused ultrasonic fields from sphericallycurved transducers[J]. J. Acoust. Soc. Am., 2013, 134(5): 3943.

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

寿文德(1941－), 男, 浙江诸暨人, 教授, 研究方向为生物医学超声学与标准化。

寿文德, E-mail: wdshou@163.com