GB T 7966-2009 声学.超声功率测量.辐射力天平法及性能要求.pdf

1、ICS 17140A 59 a雷中华人民共和国国家标准GBT 7966-2009IEC 6 1 1 6 1：2006代替GBT 7966 1987声学 超声功率测量辐射力天平法及性能要求Acoustics-Ultrasonics power measurement-Radiation force balances and performance requirements(IEC 61161：2006 Ultrasonics-Power measurementRadiation force balances and performance requirements，IDT)2009-09-30发

2、布 200912-01实施丰瞀髁紫瓣警糌赞星发布中国国家标准化管理委员会仪19前言引言1范围2规范性引用文件-3术语和定义-4符号表5对辐射力天平的要求6测量条件的要求7测量不确定度附录A(资料性附录)附录B(规范性附录)附录C(资料性附录)附录D(资料性附录)附录E(资料性附录)附录F(资料性附录)附录G(资料性附录)目 录辐射力测量各方面的附加信息基本公式-超声功率测量的其他方法传声媒质及除气发散超声场的辐射力测量一几种天平装置的局限性参考文献GBT 7966-2009IEC 61161：2006，0040，”鹕毖孙n刖 吾GBT 7966-2009IEC 61 161：2006本标准等同

3、采用IEC 61161：2006超声功率测量辐射力天平法及性能要求(英文版)。本标准代替GBT 79661987。本标准与GBT 7966-1987相比主要变化如下：a)拓宽了频率范围：从以前05 MHz10 MHz修改为现在的：超声功率不大于1 w时，频率范围05 MHz25 MHz；超声功率不大于20 w时，频率范围075 MHz5 MHz。b) 以附录的形式增加了有参考价值的如下内容：1)辐射力测量各方面的附加信息；2)基本公式；3)超声功率测量的其他方法；4)传播媒质及除气；5)发散超声场的辐射力测量；6)几种天平装置的局限性。本标准的附录A、附录C、附录D、附录E、附录F为资料性附录

4、，附录B为规范性附录。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(SACTC 17)归El。本标准起草单位：中国计量科学研究院、中国科学院声学研究所、上海交通大学、国家超声设备检测中心。本标准主要起草人：边文萍、朱岩、杨平、朱厚卿、寿文德、王志俭。本标准所代替标准的历史版本发布情况为：GBT 7966-1987。GBT 7966-2009IEC 61 161：2006引 言目前，超声换能器的总辐射声功率的测量方法有很多种(参见文献E13、1-21、33及附录c)。本标准的目的是建立在液体中测量超声功率的标准方法，该方法使用重力天平完成低兆赫级频率范围内的辐射力的测量。辐射力测量的

5、最大优点是不需要对辐射声束截面上的声场数据进行积分，即可获得总的辐射功率值。该标准确定了测量误差的来源，描述了一种用于评估总不确定度的系统步骤的程序，在实施功率测量时应该作出的预防措施以及应当考虑的不确定度。超声理疗仪的基本安全要求在IEC 6060125中确定并参考IEC 61689，该文件规定超声功率测量的不确定度应优于15。考虑到这个标准在实际应用中的准确度降低等原因，需要建立不确定度优于7 o的标准测量方法。对超声诊断设备公布的要求，包括声功率的要求，已在其他的IEC标准中(如IEC 61157中)已做了规定。本标准中所使用的辐射力天平法的声功率测量的精度、准确度和重复性受到实际问题的

6、影响。作为使用者的导则，附录A采用与标准正文相同的章节顺序，提供了附加的信息。1范围GBT 7966-2009IEC 61161：2006声学超声功率测量辐射力天平法及性能要求本标准规定了基于使用辐射力天平测定超声换能器总的辐射声功率的方法；建立了由靶获取待测声场并使用辐射力天平进行测量的原理；明确了辐射力方法在发生空化和温升情况下的使用限制；确定了辐射力方法在存在发散和聚焦波束情况下的定量使用限制；提供了评估所有测量不确定度的信息。本标准适用于：a)使用辐射力天平，频率范围从05 MHz25 MHz，超声功率不超过1 w的测量；b)使用辐射力天平，频率范围从075 MHz5 MHz，超声功率

7、不超过20 w的测量；c)超声换能器总的声功率的测量，更适用于准直良好的波束；d)使用重力型或力反馈型的辐射力天平。注：该标准所参考的出版物名称均已列在参考文献中。2规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准。然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。GBT 156111995声学高频水听器校准(neq IEC 60866：1987)GBT 16407-2006声学医用体外压力脉冲碎石机声场特性及其测量(IEC 6

8、1846：1998，IDT)GBT 16540 在05 MHz15 MHz频率范围内超声场特性及其测量 水听器法(GBT 16540-1996，eqv IEC 61102：1991)IEC 60050国际电工词汇(IEV)一801章：声学和电声学，802章：超声学IEC 60854：1986超声脉冲回波诊断仪性能测量方法IEC 61101：1991在05 MHz15 MHz频率范围内使用平面扫描技术水听器的绝对校准IEC 61689：1996超声理疗系统在05 MHz5 MHz频率范围内性能要求及测量方法3术语和定义IEC 60050的801、802章确立的以及下列术语和定义适用于本标准。31

9、声冲流acoustic streaming声波在媒质中引起的单向流动。32自由场freefield均匀各向同性媒质中，边界影响可以忽略不计的声场。33超声输出功率ultrasonicoutput power在规定条件下和规定媒质中，优选为水，超声换能器向近似为自由场中发射的时间平均超声功率。符号：P1GBT 7966-20091EC 61 161：2006单位：瓦特(w)34辐射力radiation force声辐射力acoustic radiation force作用于声场中的物体上不包括声冲流作用的由声场引起的时间平均力；更为一般的定义是，排除声冲流作用，出现在不同声学特性的两个媒质界面的

10、声场中的时间平均作用力。符号：F单位：牛顿(N)35辐射压力radiation pressure声辐射压力 acoustic radiation pressure单位面积上的辐射力。单位：帕斯卡(Pa)注：该术语在文献中被广泛使用。然而严格地说，单位面积上的辐射力是一个张量力4，使用严格的科学术语时，宜称之为声辐射应力张量。本标准中通常首选积分量“声辐射力”。无论何时，凡是术语“声辐射压力”出现时，应该被理解为是在声轴方向上的法向辐射应力的负值。36靶target经特殊设计的可以(截取)插入超声场的用来测量辐射力的器件。37超声换能器ultrasonic transducer超声频率范国内，能

11、实现电能转换成机械能或机械能转换成电能的装置。38辐射电导 radiation conductance声输出功率与换能器输入电压的有效值(RMS)平方之比。用于表征超声换能器电声转换的特性。符号：G单位：西门子(s)4符号表a发射超声换能器的半径。c声速(通常为水中的数值)。d聚焦超声换能器的几何焦距。F沿人射超声波方向作用于靶上的辐射力。g重力加速度。G辐射电导。波数(2w肛)。P超声换能器的输出功率。s距超声换能器的归一化距离(s=z2a2)。z靶和超声换能器问的距离。a媒质(通常为水)中，平面波的幅度衰减系数。y聚焦超声换能器的焦(半)角O=arcsin(ad)。0超声波的入射方向和靶的

12、反射面法线问的夹角。A波长。2GBT 7966-2009IEC 61161：2006P声传播媒质(通常是水)的(质量)密度。注：在F和日的定义中提到的声波入射方向可理解为声场轴线的方向，即从整体角度而非局部层面来考虑。5对辐射力天平的要求51概述辐射力天平应包括与天平连接的靶。超声波束应垂直向上或垂直向下，或沿水平方向作用于靶上，并用天平测量超声波束发射的辐射力。超声功率将通过测量“有”与“无”超声辐射力的差值并按照附录B中给出的公式计算得到，可以利用已知质量的小型精密砝码校准天平。注：不同的辐射力测量装置参见图F1至图F7。每一测量装置各有其优、缺点，详情见附录F。52靶的类型521概述靶的

13、声学特性应当已知，它与超声功率和辐射力之间的关系密切相关(参见A52)。如果靶的选择是非常接近两种极限的情形之一，即全吸收体或全反射体，应根据具体的声场结构选择附录B中相应的公式进行计算，同时应当满足下列要求：522吸收靶吸收靶如图1，图F1a)，图F3，图F4，图F5a)和图F7应当具备：幅度反射系数小于35；靶的声能吸收大于99(参见A522)。523反射靶反射靶如图F1，图F2，图F5b)和图F6应当具备：幅度反射系数应大于99。kao时分布结果位于活塞源曲线和平面波曲线之间(参见文献25)。23。筹。，、I一GBT 7966-2009EC 61 161：2006因此，在未知幅度分布的情

14、况下，可以把1(平面波的值)和式(E3)的平均值认为是对PcF最好的近似。这个在图E1中用虚线表示，通过平面波测量值乘以下列修正系数就能得到相应的修正。orrL世譬!盟 (E8)Z该修正系数从值PcF一1增加到一个值，该值由图E1的中央虚线曲线所代表的值。假设一个不确定度“涵盖PcF=1和图E1中连续峰值连线之间的全部空间。推荐使用该近似处理，实际上应采用最合适的有效半径n。对于在理疗仪上使用的换能器，其有效半径应根据IEC 61689给出有效辐射面积值AER计算，对其他的换能器，半径值n既可通过水听器测量的方法确定，也可通过元件或元件组尺寸的几何测量确定。修正因子corr作为口的函数按式(E

15、9)计算： corr一+号争，+揣c聃，在使用吸收靶进行辐射力测量时，该修正系数补偿了非平面场结构波束发散(通常很小)的影响。它适用于测得的声功率值的修正。在不充分了解测试中的具体换能器声场结构时，每个个别情况下真实修正系数的计算受到一个不确定度的影响，它是基于从PcF=1延伸到方程式(E3)的值的矩形分布的假设。应该注意上述处理是针对吸收靶的。在应用反射靶测量时，没有任何修正或不确定度可以利用。E2修正与不确定度，冲击到反射靶的发散声场目前对发散场中的凸圆锥形反射体尚无场的修正方法，只能给出一些指导性原则。B2中给出了准直声场中完全反射靶的超声功率计算的基本公式。根据该公式可以预测，对任何发

16、散波束的声功率值将被低估。低估的数量很大程度依赖于声束中的声压分布和声束的发散程度。对于圆锥半角为45。的凸圆锥形反射靶，可计算出，5。的入射角的低估已导致功率值17的低估。实际上并不是辐射力的所有分量都具有同样的入射角，所以，这个近似是过于保守了。图E3表示了用圆锥半角为45。的凸圆锥反射靶和吸收靶进行的从1 w到20 w量程的声功率测量的比较结果z“。由该图得出，这个类型的凸圆锥反射靶系统地低估了发射功率。同样可以推断，在kaY30时，其不确定度上升到不可接受的值。靶的直径大小是造成这种情况的最重要原因之一。0lo h-一一： ：f 。 。 一 自口图E3使用45。圆锥半角的凸圆锥形反射器

17、获得的辐射声导G值与使用吸收靶的辐射声导G值的比值与在3个不同实验室使用11个不同的治疗仪换能器的t口值的关系哺E3靶的直径现有最小靶半径b作为轴向靶距离z的函数的那些公式，都依赖于n值的大小，详见53。严格地24GBT 7966-2009IEC 61 161：2006说，这些公式仅适用于平面吸收体，但将其推广到其他靶类型是有价值的。6应被理解为最大靶的横截面的半径(在凸圆锥反射器中它是圆锥的底)，z应被理解为横截面与换能器的距离。如果该计算应用于圆锥半角为45。的凸圆锥形反射靶，则n存在某一限制值，若低于该值，无论反射靶尺寸如何，即使反射靶顶尽量接近甚至与换能器表面接触，都不能满足上述公式的

18、要求。这个限定值是n一174。GBT 7966-2009EC 61 161：2006F1天平装置附录F(资料性附录)几种天平装置的局限性下面按照靶与天平托盘的连接方式分类，介绍几种最常用的天平装置。装置A：靶悬挂在天平下方，水槽不和天平托盘接触，换能器通过水槽的孔向上辐射(如图F1)。装置B：靶经过一横梁悬挂在天平托盘的下方，水槽不和天平托盘接触，换能器从水槽顶部进入水槽向下发射(如图F2和图F3)。装置C：靶放在水槽的底部，水槽放在天平托盘上，换能器从水槽顶部进入水槽向下辐射(如图F4)。装置D：平坦的反射靶经过一横粱和天平托盘成一个角度悬挂，水槽不和天平托盘接触，换能器从水槽顶部进入水槽向

19、下辐射。装置E：靶通过一桥架悬挂在天平下方，为换能器安装提供空间，水槽不能和天平托盘接触，换能器向下辐射(如图F5)。装置F：适用于水平波束，将靶悬挂在支撑物下面，装置应提供检测靶位置的方法，同时还应提供一个可测量的(与辐射力)等值的反向作用力以便将靶保持在零点位置(如图F6和图F7)。所有的天平装置都能配备吸收靶或反射靶。虽然天平装置能配置反射靶，但是在本附录中只讨论吸收靶装置。天平装置A由于它的特殊结构，与在工业环境的应用相比，更适合于用作基准使用。1天平；2天平控制；3换能器；4靶；5侧面吸声体。a)吸收靶图F1装置Ab)反射靶1天平；2天平控制；3换能器；4靶；5侧面吸声体；6换能器支

20、座；7水槽；8信号源与放大器9电压测量。1天平；2天平控制；3换能器；4靶；5换能器支座；6水槽；7信号源与放大器8电压测量。GBT 7966-2009IEC 61 161：2006图F2装置B凸形圆锥反射靶图F3装置B吸收靶GBT 7966-20091EC 61 161：20061天平；2天平控制端；3换能器；4靶；5换能器支座；6水槽；7信号源与功放8电压测量。图F4装置C吸收靶a)吸收靶1天平；2天平控制；3换能器；4靶；5侧面吸声体。图F5装置Eb)凹圆锥形反射靶GBT 7966-2009EC 61 161：20061换能器； 9零点调平轮2空锥形靶； 10悬挂臂；3合成吸收层； 11

21、注水腔；4力一天平磁铁； 12水过滤罩；5力一天平线圈 13宝石轴承；6光电二极管零位探测器； 14量程开关；7PvC膜和密封0型圈； 15电子部分；8铅蓄电池； 16功率计-囤F6装置F凸形圆锥反射靶1换能器；2吸收靶；3光传感器；4不透明薄层5薄塑料窗；6支点轴；7水；38磁铁9线圈；10电流计；11运算放大器12发光二极管13辐射力；14磁力。图F7装置F吸收靶29GBT 7966-2009IEC 61161：2006F2天平装置的局限性尽管前面所介绍的所有天平装置都适于超声功率的测量，当在工业环境中使用或作为基准使用时，每一装置都有其优、缺点，具体见表F1。表F1不同装置的优缺点用吸收

22、靶的装置 用反射靶的装置备注优点 A B C D E F A B C D E F 相对便宜的天平 很适合常规使用 便携式坚固的结构设计 支撑靶需要简单的机械结构 不需要机械结构支撑靶 容易获得 换能器更换方便 凹形靶白取超声波束中心 对靶的未对中反应不敏感 大功率的热量会在水槽内壁引起热的再分布。 热力与测量方向垂直缺点 不能准确铡量发散超声波束(kaY30) 辐射力从底部向上辐射 综合考虑耦合膜的强度和声损失 换能器表面到靶的对流 水槽内壁要吸声水槽不透明 靶位移对非均匀超声波束敏感 由于声吸收产生的热，可能改变靶的声学特性 从换能器表面到靶的热传递 靶的悬吊线容易被损坏采用机械结构支撑靶，

23、从而避免靶在非均匀性声波 束中产生位移将水槽、靶放在天平托盘中，测力范围应该较宽并应 保持高灵敏度。这样的天平会较贵。其最小的测量功率大约20mW 由于水直接耦合，则需要专用的孔径 重力原理天平力的校准需要附加的天平臂附录G(资料性附录)参考文献GBT 7966-2009IEC 61 161，2006IEC 6060125，Medical electrical equipment-Part 2-5：Particular requirements for the safety ofultrasonic therapy equipmentIEC 61157，Requirements for the

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