基于水听器法的超声换能器声场特性校准技术的研究

林喜鉴

摘要：文中主要针对基于水听器法超声换能器声场特性参数校准进行研究，包括超声换能器声场特性校准装置的系统组成和技术指标、声场特性参数校准方法;对超声换能器声场特性参数进行实验研究，并对实验结果和理论结果进行比较分析。以验证文中提出的系统和方法的可实现性和可靠性，为计量行业研究人员对超声换能器声场特性参数的实现提供参考。

关键词：超聲换能器;声场特性;水听器;校准

Research on Calibration Technology of The Acoustic Field Characteristic of Ultrasonic Transducer Based on Hydrophone Method

LIN Xi-Jian

（Fujian Metrology Institute， Fuzhou 350003， Fujian， China）

Abstract： This article mainly focuses on the calibration of acoustic field characteristic parameters of the ultrasonic transducer based on the hydrophone method， including the system composition and technical indicators of ultrasonic transducer acoustic field characteristic calibration device， and the calibration method of acoustic field characteristic parameters; the acoustic field characteristic parameters of ultrasonic transducer are studied experimentally， and the experimental results are compared with the theoretical results. In order to verify the feasibility and reliability of the system and method proposed in this paper， it provides a reference for the measurement industry researchers to realize the acoustic field characteristic parameters of the ultrasonic transducer.

Key Words： Ultrasonic transducer; Acoustic field characteristics; Hydrophone; Calibration

1 概述

超声无损检测是无损检测领域重要的技术之一，而换能器作为超声检测中的关键部件，广泛应用于工业检测和医用超声成像领域。其性能好坏直接关系到超声应用技术的效果和使用范围，特别是声场特性参数，对超声无损检测的检测范围、缺陷检出率和缺陷评价准确性都有很大的影响，实现对超声换能器的声场特性参数准确测量进行深入研究是十分有价值的[1]。

在计量领域中，依据JJF 1294-2011《超声探伤仪换能器校准规范》、JJF 1650-2017《超声探伤仪换能器声场特性校准规范》开展超声换能器的校准。其中JJF 1294-2011是通过标准试块耦合换能器向其材料内部发射超声波，该波在标准试块中传播并再次被耦合换能器检测到以用于评价换能器相关特性参数;JJF 1650-2017是基于水听器法测量超声信号和扫描声场获取声场特性参数，水听器法作为目前超声声场中声压测量的推荐法则，其优点是测量结果直观，能完整反映声波波形的图形，是各领域换能器声学特性参数校准的标准。

文中主要针对基于水听器法超声换能器声场特性参数校准进行研究，包括超声换能器声场特性校准装置的设备组成和技术指标、声场特性参数（包括焦距、焦区尺寸、声束扩散角等参数）校准方法;进行声场特性参数的实验测量，并进一步讨论实验数据[2]。

2 超声换能器声场特性校准装置

依据JJF 1650-2017《超声探伤仪换能器声场特性校准规范》6.2 测量标准及其他设备和7.2 校准方法，可知超声换能器声场特性校准系统主要由超声声场扫描定位装置、超声脉冲激励装置、信号采集装置，其校准系统结构示意如图1所示。

2.1 超声声场扫描定位装置

超声声场扫描定位装置是整个校准系统的基础，主要包括水槽、两个五自由度运动机构、两只支架等。

（1）水槽

其中，水槽内净尺寸需满足超声声场扫描空间范围，其技术参数建议如下：

① 内净尺寸：120cm×67cm×75cm;

② 材料选用亚克力板，厚度不小于10cm;

③ 水槽底部预留排水孔和开关阀;

④ 水槽周边和底部用铝合金型材框边;

⑤ 型材底座带滑轮和可伸缩支撑柱。

（2）五自由度运动机构

JJF 1650-2017规定应具备最少两个夹持调节机构用于夹持及调节超声换能器的位置和姿态，故建议配备两套五自由度运动机构，其中一套是手动五自由度运动机构，用于夹持被测换能器;另一套是电动五自由度运动机构，用于夹持水听器并支持空间全自动扫描定位功能。其技术指标和功能如表1所示。

（3）支架

两只支架分别用于夹持被测超声换能器和标准水听器，其中，一只用于手动五自由度运动机构调节被测换能器的位置和姿态;另一只用于电动五自由度运动机构调节标准水听器的位置和姿态。

2.2 超声脉冲激励装置

超声脉冲激励装置用于激励被测超声换能器发射超声信号，可选用信号发生器33622A/功率放大器AG1020方案。

（1）信号发生器33622A，技术特征如下：

① 波形：正弦波、脉冲、方波等;

② 工作模式：连续、调制、频率扫描、猝发;

③脉冲输出频率范围：1uHz至50MHz（Vout≤10Vpp）。

（2）功率放大器AG1020，技术特征如下：

① 输出功率：200w;

② 工作频率：10kHz～20MHz。

2.3 信号采集装置

信号采集装置用于采集被测超声换能器发射超声信号，可选用英国PA针式水听器声压测试系统，系统由针式水听器、前置放大器/辅助放大器和示波器组成。

（1）水听器NH1000

水听器是把水下声压信号转换为电信号的换能器，最大的优点是体积小，不会对声场造成过大干扰，同时灵敏度较高[3]。选用的NH1000针式水听器技术参数如表2所示。

（2）前置放大器HP50/辅助放大器SC50

由于水听器的输出信号非常微弱，因此在将其输入采集和显示系统之前，通常还需要前置放大器，用于放大水听器接收到的信号。辅助放大器用于进一步放大水听器接收到的信号。

前置放大器HP50和辅助放大器SC50主要技术参数如表3所示。

（3）示波器MDO4024C

示波器选用美国泰克科技MDO4024C，其主要性能指标如下：

① 输入通道数：4;

② 模拟带宽：1GHz;

③ 最大模拟采样率：5GS/s。

3 测量实验

3.1 实验方案

本次选用美国Panametrics公司生产的V326-SU型号的聚焦超声换能器进行声场特性参数（包括焦距、声束直径、声束扩散角、场深等参数）的测量实验，实验依据JJF 1650-2017《超声探伤仪换能器声场特性校准规范》7.1 校准项目和7.2 校准方法。

3.2 实验方法

（1）标准水听器和被测超声换能器的安装

① 由于水听器针尖的薄膜非常脆弱，因此使用水听器探头时一定不能用手或其他物体触碰针尖，使用蒸馏水轻轻清洗即可。

② 将标准水听器安装固定于电动五自由度运动机构的夹持支架上，并注意水听器的连接线，不要缠绕在运动机构上。

③ 将被测超声换能器安装固定于手动五自由度运动机构的夹持支架上，并注意被测超声探头的连接线，不要缠绕在运动机构上。

④ 标准水听器和被测超声换能器安装固定后，可分别通过驱动手动五自由度运动机构、电动五自由度运动机构调节被测超声换能器、标准水听器的位置和姿态。请尽量保持被测超声探头表面与水听器垂直，使被测超声探头和标准水听器的轴线位于水槽中心的同一直线上。

（2）系统的连接调试

① 将被测超声换能器连接功率放大器和信号发生器，设置信号发生器工作频率为被测换能器的标称频率2.25MHz，并置于猝发音输出模式，脉冲激励波形周期数设置为10个，使得水听器输出达到稳态为准。

② 将标准水听器连接前置放大器和示波器，通过电动五自由度运动机构带动水听器以步进距离0.2mm，运行速度10mm/s进行若干平面的扫描，即可得到声场特性参数。

3.3 实验结果与分析

表4是对 V325 理论计算和实际测量的声场特性参数测量结果。通过对比实际测量结果和理论结果发现，实际测量的声场与仿真结果基本吻合，声场特性参数测量结果在合理的范围内。证明系统可以测量聚焦换能器声场，并且测量结果比较准确。

4 结语

文中主要研究了基于水听器法超声换能器声场特性参数的校准，详细论述了超声换能器声场特性校准装置的仪器组成和技术指标;对V326-SU型号的聚焦超声换能器进行实验研究，并对实验结果和理论结果进行比较分析，以验证文中所提出的装置和校准方法的可行性和可靠性，可用于开展超声换能器声场特性校准参数的校准。

参考文献

[1]吕云飞.电容式微机械超声换能器建模与仿真技术研究[D].太原：中北大学，2018.

[2]冯延强.超声声场参数测量系统的研究[D].北京：北京化工大学，2012.

[3]佟帅.超声波防垢除垢机理及提高效率的方法研究[D].大连：大连理工大学，2008.