ICS 17.140 A 59
中华人民共和国国家标准
GB/T32522—2016
声学 压电球面聚焦超声换能器的
电声特性及其测量
Acoustics—Electroacoustic characteristics and measurements of
piezoelectric spherically focusing ultrasonic transducers
2016-09-01实施
2016-02-24发布
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会
发布 GB/T32522—2016
目 次
前言 1 范围 2 规范性引用文件 3 术语和定义 4 符号 5 总则 6 测量系统的要求 7 聚焦声场参数测量 8辐射电导测量
m
.
球面聚焦换能器发送电流（电压）响应和接收灵敏度的测量
9
10电声效率的测量 11 换能器的输人阻抗（导纳）的测量 12测量不确定度附录A（规范性附录）球面聚焦声束正人射于水-不锈钢平面界面上的平均反射系数和聚
LU
10
焦（半）角的关系
11
附录B（规范性附录） 球面聚焦换能器在无衰减媒质的自由场中自易校准的衍射修正系数
G(R/入，β)函数的数值表：
15
附录C（资料性附录）球面聚焦换能器在无衰减媒质自由场中自易校准的衍射修正系数G
的计算
17 21 22 24 26 28
附录D（资料性附录） 水的声速和衰减系数附录E（资料性附录）球面聚焦换能器的互易校准原理附录F（资料性附录） 换能器的电声参数之间的关系和应用性导出电声参数附录G（资料性附录） 测量记录表参考文献 GB/T32522—2016
前 言
本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草，本标准由中国科学院提出本标准由全国声学标准化技术委员会（SAC/TC17)归口。 本标准起草单位：上海超声医学研究所、上海交通大学附属第六人民医院、中国科学院声学研究所、
中国计量科学研究院、中国船舶重工集团公司七一五研究所、江苏省医疗器械检验所、上海市食品药品监督管理局认证审评中心、昆山日盛电子有限公司、无锡海鹰电子医疗系统有限公司、超声医疗国家工程研究中心。
本标准主要起草人：寿文德、余立立、胡兵、段世梅、朱厚卿、杨平、王月兵、胡济民、卜书中、陈毅、 耿晓鸣、曾德平、邢广振、申号。
目 GB/T 32522—2016
声学 压电球面聚焦超声换能器的
电声特性及其测量
1范围
本标准规定了球冠形压电材料制成的单元球面聚焦超声换能器（以下简称球面聚焦超声换能器）的电声特性及其测量方法。
本标准适用于工作频率范围1.0MHz～15MHz。 本标准不适用于聚焦换能器阵和声透镜的聚焦换能器。 注：1.0MHz以下可参照本标准。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T7966—2009声学超声功率测量 辐射力天平法及性能要求
3术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
3.1
自由场 5free-field 均匀各向同性媒质中，边界影响可以不计的声场。 ［GB/T7966—2009，定义3.2]
3.2
辐射电导 radiationconductance G. 声输出功率与换能器输人电压的有效值(RMS)平方之比。用于表征换能器的电声转换特性。 注1：单位为西门子(S)。 注2：要注明信号电压(或电流)的频率。 ［GB/T7966—2009，定义3.8]
3.3
球面聚焦换能器的发送电压（电流）响应focusedfieldtransmittingvoltage（current）responsefor spherically focusing transducer
s 在指定频率下，球面聚焦换能器在自由场中有效辐射面上的发射声压与其输人电压（电流)的比值。 注：单位为帕每伏(Pa/V)，帕每安(Pa/A)。
1 GB/T32522—2016
3.4
球面聚焦换能器的自由场电压灵敏度（接收电压响应）sphericalwavefreefieldvoltagesensitivity (receiving voltage response)for spherically focusing transducer
M 球面聚焦换能器输出端的开路电压，与其声焦点处一个点声源发出的球面波场中移去换能器后原
来换能器表面所在空间面上的平均自由场声压的比值。
注：单位为伏每帕(V/Pa)。
3.5
球面聚焦换能器的自由场电缆端有载电压灵敏度（接收电压响应）sphericalwavefreefieldcable end-loaded voltage sensitivity(receiving voltage response) for spherically focusing transducer
ML 球面聚焦换能器输出端连接特定的电负载时的输出电压，与其声焦点处一个点声源发出的球面波
场中移去换能器后原来换能器表面所在空间面上的平均自由场声压之比。
注1：换能器输出端的电负载和频率都要注明。 注2：单位为伏每帕(V/Pa)。
3.6
电声效率electroacousticalefficiency ↑s/e 换能器的声输出功率与电输人功率之比。 注1：要注明加在换能器输人电端的信号电压和频率。 注2：用百分比表示。
3.7
电声互易原理electroacousticalreciprocityprinciple；electroacousticalreciprocitytheorem 一个线性、无源、可逆的电声换能器，其用作接收器时的自由场接收电压（或电流）灵敏度与用作发
射器时相应的发送电流(或电压)响应之比等于常数，与换能器的结构无关的原理。
［GB/T3947-1996，定义5.67
3.8
球面聚焦换能器互易常数reciprocitycoefficient（constant）forsphericallyfocusingtransducer 满足电声互易原理的球面聚焦换能器，其用作接收器时的自由场电压灵敏度与用作发射器时的发
送电流响应之比值，或其用作接收器时的自由场电流灵敏度与用作发射器时的发送电压响应之比值。
注1：单位为瓦每二次方帕（W/Pa"）。 注2：球面聚焦换能器的互易常数其值等于2倍换能器的有效面积除以媒质的声特性阻抗。即
J=2A/(pc)
式中： A——换能器的有效面积，单位为平方米（m"）； β—传声媒质的密度，单位为千克每立方米(kg/m")； c一传声媒质中的声速，单位为米每秒(m/s)。
3.9
自易法self-reciprocitymethod 根据电声互易原理，使用平面反射器把换能器沿反射面的法线发射的声束，反射到同一换能器，利
用接收到的回波信号实现换能器自身校准的方法，
2 GB/T32522—2016
3.10
球面聚焦换能器的自由场自易校准中的衍射修正系数diffractioncorrectioncoefficientofspheri- cally focusingtransducer in free-field self-reciprocity calibration
Gst 在无衰减媒质的自由场中，以球面聚焦换能器的焦平面为假想的理想反射镜面，在其背后位于离换
能器2倍焦距处的换能器的声虚像球面上的平均声压，与换能器发射面上的声压之比。 3.11
换能器的有效辐射面积 effectiveareaof atransducer A 理论预测的超声换能器的辐射面积。这种理论预测的超声换能器，其特定声场声压分布特性与同
类实际换能器的特定声场内观测到的声压分布特性近似相等。这种特定声场可以是聚焦声场、平面活塞换能器的近场和远场之间的过渡区声场、远场等。
注：单位为平方米（m"）。 3.12
球面聚焦声束在平面反射器上的平均反射系数averageamplitudereflectioncoefficientonplane reflector for spherically focused beam
rs (β) 在无衰减媒质中，不计衍射效应条件下，半孔径角为β的球面聚焦换能器的聚焦声束主声轴正人射
到位于其声焦平面上的平面反射器，反射波在换能器移去时在其原来的表面上的自由场平均声压 p(β)与换能器有效辐射面上的发射声压p。之比。即r(β）=p(β)/p
4符号
下列符号适用于本文件。
换能器的有效半径（半孔径），单位为米（m）；最大可用的水听器半径，单位为米（m)；换能器的有效面积，单位为平方米（m"）；水中的声传播速度，单位为米每秒（m/s）；靶距，单位为米（m）；谐振频率，单位为赫兹（Hz)；中心频率，算术平均频率，单位为赫兹（Hz)；频带宽度，单位为赫兹（Hz)；轴向总辐射力，单位为牛(N)；球面聚焦换能器的F数，FNo.=Fprea/（2a）；声压焦距，单位为米（m）；辐射电导，单位为西门子(S)；球面聚焦换能器在自由场自易校准中的衍射修正系数； -凹球冠面的高度（或中心深度），单位为米（m）；声强，单位为瓦每平方米（W/m"）：
a a h,max A c d f。 f. Af F F No. F pres G. Gsf h 1 IT,ITms 换能器的激励电流幅度，有效值，单位为安（A)； GB/T32522—2016
Ik Iecho J s k 1 M M. M: MpeL Mt P P. ps r ra(β) R St S im Sv Svm AtF △t T U。 Ur,UTms 换能器的激励电压的幅度，有效值，单位为伏（V)；
激励电源输出端短路电流幅度，单位为安（A)；第一回波电流幅度，单位为安（A）；球面聚焦换能器的互易常数，Jst=2A/（pc），单位为瓦每二次方帕（W/Pa"）；波数，k=2元/入，单位为弧度每米（rad/m）；换能器至水听器的距离，单位为米（m）；球面波自由场电压灵敏度（接收电压响应），单位为伏每帕（V/Pa)； -球面波自由场电缆端有载电压灵敏度（接收电压响应），单位为伏每帕（V/Pa)；对焦点球源声压的自由场电压灵敏度，单位为伏每帕（V/Pa)；脉冲回波灵敏度，单位为分贝（dB)；自由场电流灵敏度，单位为安每帕（A/Pa)；超声输出功率，单位为瓦（W）；输人电功率，单位为瓦（W）；声焦点上的点声源的在其半径为入/2的球面波阵面上的自由场声压，单位为帕(Pa)；声压幅度反射系数；球面聚焦声束在平面反射器上的平均反射系数；曲率半径，单位为米（m）；聚焦换能器的发送电流响应，单位为帕每安（(Pa/A)；聚焦换能器焦点处的发送电流响应，单位为帕每安（Pa/A)；聚焦换能器的发送电压响应，单位为帕每伏(Pa/V)；聚焦换能器焦点处的发送电压响应，单位为帕每伏(Pa/V)；声脉冲渡越时间，单位为秒(s)；电流滞后于电压的时间，单位为秒（s）；正（余)弦信号的时间周期，单位为秒(s)；猝发声发生器的开路电压幅度，单位为伏（V)；
自易校准时，被校换能器收到的最大第一回波信号的电压幅度，单位为伏（V）；电压有效值（均方根值)，单位为伏（V)； 3dB声束宽度，单位为米（m）； -6dB声束宽度，单位为米（m）；换能器的（电)导纳，单位为西门子(S)；换能器的（电）阻抗，单位为欧(α)；换能器用作水听器时在其电缆端所连接的电阻抗，单位为欧（Q)；水中的声衰减系数，单位为奈培每米（n/m）；聚焦（半）角，半孔径角，单位为度或弧度[（°)或rad]；（电)阻抗角，单位为度或弧度[（)或rad]；水的密度，单位为千克每立方米（kg/m）；换能器的电声效率，%；声波长，单位为米（m）。
U, Urms Wps Wpis YT ZT ZL α β 6e p 7a/e 入
5总则
球面聚焦超声换能器的电声特性包括聚焦超声声场参数、发射特性参数和接收特性参数。
4 GB/T32522—2016
其中：聚焦超声声场参数包括：声焦距、波束宽度、有效半径、聚焦（半)角和有效面积；发射特性参数包括辐射电导及阻抗、辐射声功率、发送电流（电压）响应和电声效率；接收特性参数包括接收电压灵敏度。
本标准采用水听器法测量球面聚焦超声换能器的聚焦超声声场参数。 本标准采用辐射力天平法或自易法测量球面聚焦超声换能器的输出声功率，辐射电导由声功率和
测定的驱动电压导出，电声效率由声功率和测定的输人电功率导出；采用自易法测量球面聚焦超声换能器的发送电流(电压)响应。
本标准采用自易法测量球面聚焦超声换能器的接收电压灵敏度。 注：自易法原理见附录E，各电声参数之间的关系式见附录F。
6测量系统的要求
6.1辐射力天平法测量系统
按GB/T7966一2009的要求执行。只能使用吸收靶。靶的幅度反射系数小于3.5%，声能吸收大于99%。若未达到上述指标，则应进行修正或在不确定度评定中予以考虑。靶的最小直径应大于所在位置上一26dB波束宽度的2倍。靶距采用声焦距的0.7倍为宜，在此位置上靶的直径可取换能器孔径。声功率超过1W时，测量应在除气水中进行。 6.2自由场自易法测量系统 6.2.1装置的组成
装置的电系统由猝发声发生器电流探头、切换开关和示波器组成。声系统由测量水槽、换能器安装调节夹具与定位系统以及声反射器组成[4]。参见图1。
2
① 7°2
I, kg, leahe
U
U, J
Urr /k
E7
说明： 1——猝发声发生器； 2— 电流探头； 3-—示波器； 4—声反射器；
5—聚焦换能器； 6——水槽； 7-一开路/工作/短路三状态切换开关； 8 电压/电流测量切换开关。
图1自由场自易校准装置的示意图
6.2.2测量水槽
测量水槽应有足够大的水域空间，以保证被校换能器与声反射器间的校准距离，满足二者的安装和
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