1、ICS 17. 140 C 41 道国国家标准国和11: _/、民中华人GB/T 20249一2006/IEC61828: 200 1 -:1:-品L严子聚焦超声换能器发射场特性的定义与测量方法Acoustics-Definitions and measurement methods for the transmitted fields of focusing ultrasonic transducers (IEC 61828: 2001 , Ultrasonics-Focusing transducers一Definitions and measurement methods for the
2、 transmitted fields , IDT) 2006-05-08发布中华人民共和国国家质量监督检验检茂总局中国国家标准化管理委员:2006-11-01实施111111111111111111 GB/T 20249-2006/IEC 61828: 200 1 目次前言.皿引言.凹1 范围.2 规范性引用文件. 3 概述3.1 聚焦换能器3.2 系统与测量要求3.3 聚焦声场概述4 聚焦定义4. 1 背景资料.4.2 定义5 符号表.146 测量步骤.15 6. 1 概述6. 2 确定声束轴.6.3 确定换能器是否聚焦6.4 测量聚焦换能器的其他聚焦参数.18 附录A(资料性附录)关于聚
3、焦换能器发射特性的背景资料.25附录职资料性附录)确定规则声束束轴的方法.28附录C(资料性附录)确定不规则声束束轴的方法.31 参考文献.32 I GB/T 20249-2006/IEC 61828: 200 1 前言本标准等同采用IEC61828 :20012)边对称的孔径，在与其一边垂直的对称平面中，过渡距离等于孔径面积除以叫。对具有若13 GB/T 20249-2006/IEC 61828: 200 1 干环的环阵，其等效面积为敏感区孔径的总(所有环)面积。除特意为了聚焦，或遇有形状和相位控制异常的孔径之外，对于像交替相移(0。或1800)的环阵之类采用单一相位控制的情况，则是通过计算
4、三维衍射来确定与适当的过渡距离对应的最小束宽。符号:ZT;单位:米(m)。4.2.78 横平面transverse plane 与声束轴垂直的所有平面。4.2.79 二维阵two-dimensional array 由超声换能器基元组成，通过排列组合能够在至少两个(通常是正交的)扫描平面内控制声束特性与方向的阵列。4.2.80 超声换能器uItrasonic transducer 在超声频段内，能够将电能转换为机械能，或反之将机械能转换为电能的器件。4.2.81 超声换能器基元组uItrasonic transducer element group 一同接受激励从而产生单一声脉冲的换能器元件组
5、合。4.2.82 非偏转声束unsteered beam 人为选定向正前方传播而无偏角的超声声束。注z对扇形扫锚，正前方指沿中央扫描线的方向。当超声换能器为对称式时，可以将非偏转声柬选定在超声换能器的对称轴或对称平面附近。5 符号表14 Ab 声束横截面积Ab6 声压焦域横截面积ASA 换能器孔径面积ASAefl 源孔径a 圆形超声换能器敏感元件半径Cw 水中声速CL 透镜中声速DAF 换能器孔径平面距离d (=2a)圆形超声换能器敏感元件直径d elf 有效程长dolfset 偏移距离Fn f数Fgeo 几何焦距F natural 自然焦距Fnorm 归一化焦距Fpres 声压焦距f.wf
6、算术平均工作频率GfOC81 几何聚焦增益Gpfo叫声压聚焦增益是(=2j)圆波数Lpfocol 声压焦域长度LSA 源孔径宽度LTA 换能器孔径宽度n 折射指数p, 脉冲声压平方积分rms 均方根声压i20mean 源孔径平均声压平方积分R 超声换能器曲率半径RLENS 透镜表面曲率半径RL 瑞利长度T 周期V阳01声压焦域体积W 加权函数W6 ,Wl0 ,WZO -6 dB，一10dB，一20dB束宽Xc 沿z方向声束扫描所得矩心位置Xpk 沿z轴扫描的声束峰值位置YC 沿y方向声柬扫描所得矩心位置ZFTD 远过渡距离ZNTD 近过渡距离ZT 过渡距离A 孔径程差,100F 焦深,1 轴上
7、场点程差A 有效波长m 非线性传播参量6 测量步骤6.1 概述GB/T 20249-2006/IEC 61828: 200 1 本章所述是为获得聚焦参数采取的测量步骤。这些步骤假定，所测的是一个相当对称的规则声束的声场，它在某一深度处具有单一的中心峰值，如图B.1和图B.2两例所示。如声束如图C.1中所示很不对称，则需采用附录C所述的光栅扫描法测量。本章介绍了与测量有关的一般资料和测量装置。6.2介绍了寻找声束轴和声压焦点以及测量其他聚焦参数的步骤。6.3的内容是，根据寻找束宽焦点的情况，确定所测换能器在指定纵平面内是否为聚焦换能器。测量焦深、声压聚焦增益和声束面积焦点等其他聚焦参数的步骤见6
8、.4。测量装置:关于初步的通用测量系统和对测量的一些考虑，3.2中已作论述。对测量所用设备和装置，IEC 61102: 1991中均有描述，其中包括带定位框架的水槽和水昕器，以及如数字采样示波器等波形记录手段。如测量对象是己知激励波形的超声换能器，应将波形与信号类型一并记录。如测量对象为换能器阵列或超声换能器基元组，除希望知道阵列中心的典型激励波形外，还希望知道由幅度和延迟时间表15 GB/T 20249-2006/IEC 61828: 200 1 达的与其他波形的关系。如不能做到，即在不便取得激励波形的情况下，则宜将激励系统的影响超声换能器输出的所有设置记录下来，达到足以重复这些测量。需要注
9、意的是，如所测对象为扫描系统，宜弄清扫描线或空间位置并予记录。宜注明槽内温度和参考媒质(如不是按IEC61102 :1991中规定以水为测量媒质)。将超声换能器安装在坐标定位系统中，使其各敏感元件(超声换能器基元组)的对称轴与水昕器定位系统的y轴平行。本标准中采用的坐标系为:声束轴沿z轴，扫描平面为xz平面，俯仰平面为yz平面。这样，就便于调节换能器的位置，以使声束轴与定位系统的轴平行。据此，采用圆柱形敏感元件的超声换能器的对称轴应是圆柱的轴。而对具有球形敏感元件的超声换能器，其对称轴应是穿过球的几何中心，并将该超声换能器的某个可用外表6.2 确定声束轴6. 2.1 参看图9b)。确立一个要受
10、到分辨主辐射脉冲与6. 2.2 确定声压焦以借助于控制聚焦以获得脉冲声压有效用。了解换能器和远过渡距离的的替换者，就是聚焦夫朗和费区6.2.3 在穿过平方积分的矩心。的工轴。在由式(式为:式中:式中:三1(岛，y，)y，一一由上述的y轴方向扫描得知的矩心位置; ; ( Xk ，y，)-一一(Xk，y，)处脉冲声压平方积分的取样值。(源孔径平面)。最小测量距离，有可能将输出声压分解为不同的速率随轴向距离焦点和声束轴时，可焦特性可变的情况可调节电子焦距，则这种方法就没关于近过渡距离平面有一个合适。该平面将位于中，寻找脉冲声压y，)。求取y，的公. ( 6 ) 扫描至少取50个点，一直延续到所能测出
11、的，用扫描轴上;最大值某一侧的可用信号大小表示的最低值。而之所以需要测量矩心，是因为一般会如附录B中解释的那样出现多个声压峰值。注1:严格说来，寻找矩心要涉及到如附录C中所述的完整二维扫描。因此，表示两项直线扫描的式(5)和式(6)仅16 GB/ T 20249-2006/IEC 61828 : 200 1 是近似形式。迸一步说，式(5)、式(的、式(C.1a)、式(C.1 b)所依据的都是均一Cartesan网格假设。对适用于测量位置之间任意距离的式(5)和式(的，可以导出普适化的公式。注2:由于存在离轴峰值，IEC61102: 1991中的声束准直轴定义(依赖于对空间峰值时间峰值声压的寻找
12、结果)在这些情况下可能不成立，故该定义更适用于非聚焦超声换能器。已经发现，能够接受的第二种方法即附录B所述的束宽中点法，在所考察的情况下能够提供与矩心法近乎等效的结果。之所以优先采用矩心法，是因为其计算直接简单。6.2. 4 在第一平面所在深度之前或之后任意距离处选择第二平面，该平面与第一平面平行且距第-平面尽可能远。增大两个测量平面之间的距离将减小确定声束轴时的角度误差。对电子聚焦换能器，可将电子焦距取在第二平面中或其附近，以增大信噪比。采用一注:在俯仰纵平面中存在固定俯仰焦距陆A6.2. 5 声束轴即是由换能器至6. 2. 6 将声压焦平面确定替声压焦平面用以寻找声即可找到最大脉冲声压大脉
13、冲声压平方积分6. 2. 7 将与声束轴沿声柬轴线上界于的比值。如该比为与真实的换能6.3. 3 为确定换a) 为确定其。参见图7b)。对换能器形状的情况、，。的。严斜向宽度与z或y方向宽器的对称性有疑问，可采用光2) 如源孔径平面中的20 dB轮廓粗略看来呈矩形或椭圆形，则包含最小-6dB柬宽的主纵平面常常平行于主尺寸(在矩形情况下对应于最大侧边)。如一20dB圆孔径平面的轮廓粗略看来不呈圆形、矩形或椭圆形，则主要关心其主纵平面以及与之正交的纵平面。在这种情况下，即可在这两个正交的平面中测量束宽以找到每一平面中的束宽焦点。将每个平面中的6 dB束宽乘以再除以4即可估算出其声束横截面积。c)
14、由上述的对称条件，用源孔径宽度和有效波长计算每一纵平面中的过渡距离。6. 3. 4 寻找各个束宽焦点(最小-6dB束宽及其位置。如确定了对称性的判据(圆形情况有一个主GB/T 20249-2006/IEC 61828: 200 1 平面，矩形情况有两个正交的主平面)，则必须对最小柬宽结果加以验证，方法是在绕z轴稍作旋转的平面中测量束宽(xz平面之上和之下，yz平面之上和之下)。6.3.5 在每一对称平面中，如最小-6dB束宽小于-20dB惊孔径宽度的一半，束宽焦距小于自源孔径起算的过渡距离的一半，则超声换能器在该平面中就是聚焦的。6.3. 6 如不满足6.3.5中的条件，或者未找到最小的-6d
15、B束宽，则超声换能器在该平面中就是不聚焦的。6. 4 测量聚焦换能器的其他聚焦参数6.4. 1 在其中的束宽为最小柬宽两倍的平面中，找出两个相距最近的深度以确定焦深。如朝向超声换能器一侧的束宽未达到加倍，则采用源孔径平面的位置作为第一焦深点(见焦深定义)。6.4.2 找出声束面积焦点，即最小-6dB声束面积所在的位置。在该点处，垂直于声束轴的横向平面即为声柬面积焦平面。如以对称性为判据，则应在源孔径平面和声束面积焦点之间轴向距离上靠近焦点一侧的大约5%处，通过在接近、相邻、平行的若干平面中测量声柬截面积来查验最小声束面积所在的位置。为寻找声束面积焦点，最好在声压焦点处开始用水昕器测量，并沿声束
16、轴朝超声换能器方向移动水昕器，直至找到最小的-6dB声束面积。6.4.3 可以采用如下步骤求得声压聚焦增益:18 a) 沿声束轴朝源孔径平面方向移动水昕器。b) 在一20dB声柬面积和源孔径平面的20 dB轮廓上测量源孔径的平均声压平方积分。c) 由声压焦点处脉冲声压平方积分与源孔径平均声压平方积分比值的平方根，确定初始的声压聚焦增益。d) 在确定声压聚焦增益的最终值之前，必须在整个带宽上对声压焦点处的脉冲声压平方积分作衰减修正。当以水为测量媒质时，在低频或短测量距离，或者在算术平均工作频率下测量声程中的总损失不超过1dB时，可不作衰减修正。e) 以源孔径处一20dB轮廓面积的0.69倍与峰值
17、脉冲声压平方积分所在点的-6dB声束面积之比值代替IEC61102 : 1991中3.25的非线性传播参量公式中的凡，可以检验出测量中的非线性度。如果得出的该参量值小于0.2，则认为测量处于线性区。下c w J工/F., 4 a)曲率半径为R、焦距等于R的换能器C南F.e。换能器b)平凹透镜换能器图1换能器的几种几何聚焦方式F., =R F._= RLENS =- g回n-ln= cw / CL CL CW 图中:R一一曲率半径;Fg回一一儿何焦距;c 声速; 折射指数;CL一一透镜声速;Cw 水中声速。源孔径宽度换能器外表孔径!偏移-1 1距离GB/T 20249-2006/IEC 6182
18、8: 200 1 Cw Fg剧斗c)平凸透镜换能器图1(续) _ 1 F.=RLENS 一g回一1n = Cw I CL CL A/2 聚焦夫朗和费区闷-t.1).12近菲涅尔区I t. -t.1 12 描述几何尺寸己知的聚焦换能器程差参数的示意圄圄6主纵平面几何尺寸己知的换能器束宽焦点(设计图)圄7主纵平面中的束宽焦点a) 22 GB/T 20249-2006/IEC 61828: 200 1 主纵平面b) 几何尺寸未知的换能器束宽焦点图7(续) 几何焦线- 圳/固8几何聚焦的类型23 GB/T 20249-2006/IEC 61828: 200 1 源孔径平面24 声压焦平面b ) 几何尺
19、寸未知的换能器声压焦点(实测图)图9主纵平面中的声压焦点第二平面GB/T 20249一2006/IEC61828:2001 附录A(资料性附录)关于聚焦换能器发射特性的背景资料本附录中背景资料的目的，是要说明如何用近菲涅尔区、远菲涅尔区和聚焦夫朗和费区等术语描述聚焦换能器的声场。在表征几何参数已知的聚焦换能器声场时，这些术语是很有帮助的。考虑圆形对称、宽度为2的换能器孔径。对于未作变迹处理且为连续波激励的情况，沿声束轴z的水中声压场如式(A.1)所示:. ( A.1 ) 式中:写。应该注意的是:非对于非变迹距离ZT=a2/，lPJ器，其中RLENS是采用薄透镜近似2J示为式(A.的:非变迹聚焦
20、换能F都小时，可以轴的声压可以表 ( A. 4 ) . ( A. 5 ) 一j2poe咱e-Jj立，_ f2 (0，z)-SIn(一一i ( A.6 ) 2ze J Ze 式中:1 1-F I-z ( A.7 ) Ze 或者. ( A.8 ) 25 GB/T 20249-2006/IEC 61828: 200 1 现在，即可将适用于聚焦换能器的式(A.6)与适用于非聚焦换能器的式(A.2)直接比较。当几何焦距远大于至轴上场点的距离时，Ze句Z，两式是一样的。可以利用两式之间在形式上的相似性确定聚焦换能器过渡距离的等效性。为了在过渡距离处获得与非聚焦换能器的相位等效，如式(A.3)中那样，将式(
21、A.6)中的二次相位项设定为/2，如式(A.9):一2一-d一亿一2一一AU .( A.9 ) 此巾田矿工 一-z . ( A. 10 ) 并结合式(A.7)，于是近菲涅尔区与聚焦夫朗和费区之间的近过渡距离即为(见式A.11): 1-F + A-2 一一1一句. ( A. lla ) 或者a2 F ZNTD Ztl = a 2 + F . ( A. 11b ) 这一距离还可用过渡距离ZT=旷/写出，即:zTF ZNTD Ztl ZT + F . ( A. 11c ) 与此类似，聚焦夫朗和费区和远菲涅尔区之间的远过渡距离为:1 , 1 一一一一Zt22 F . ( A. 11d ) 或者a2 F
22、 ZFTD Zt2 一一一一一一一一- a -F . ( A. 11e ) 或者zTF ZFTD Zt2 一一一一一一飞=ZT -r . ( A. llf ) 由等效过渡距离关系即式(A.8)可明显看出:因为当z值趋近F时，Ze增至无穷大，故在几何焦距范围内，声束将从近场到远场发生彻底的变化。当等效距离满足式(A.10)和式(A.11a)中的条件，即Ze =a2 /或Z=Ztl时，过渡距离ZT处的声束形状与一等效非聚焦换能器的声束形状相似，但幅度和侧向距离的折算因子(scalefactor)则与其不同。与此方式相类似，当Zea2/或ZZt2时，声束将回复到类似菲涅尔区的模样。不过，由于这一距离
23、已经越过焦点所在位置，菲涅尔干涉和条纹都不会太严重，且将随聚焦强度而异。对于曲率半径为R的凹面聚焦换能器(见图1a)，可作类似分析并得到一组并行的近似公式，只是由式(A.4)到式(A.11)中的F被D取代了(见图5)。比如，在这种情况下，式(A.4)就变为式(A.12): j2户。ejkz exp 二j豆(l-l门户, 、|2飞ZDJ I . 1旷111、1(0， z) -1-=-sinl .， I . - ;, ) I 111、12).飞ZDJ 1 z飞;-D z=D时，式CA.5)为式CA.13):( A. 12 ) (O，D)句j2poe-JkDI旦二|12DI 与式CA.7)对应的结果
24、为式CA.14): ( A. 13 ) 1 1 1 Z D .C A. 14) Ze 26 GB/T 20249-2006/IEC 61828: 200 1 与式(A.8)对应的结果为式(A.15): 而式(A.11)的并行形式为式(A.16): Z Ze 工工一一一-一一一一Z I二-D l1 一一一Ztl a2 I D a2 D ZNTD = Zl -a士;mzTD = Ztl =石士E1， 1 一一一一-Zt2 a2 I D a2 D ZFTD = Zt2 - a 2 _ D zTD ZFTD = Zt2 =一一一一一一言之ZT-U 这些并行公式都是近似的，其准确形式见参考文献口、3J、
25、4J。( A. 15 ) . ( A. 16a ) . ( A. 16b ) ( A. 16c ) .(A.16d) .( A. 16巳). ( A. 16f ) 换一种方式，利用不同程长的相位，也可推导出最后这些结果。再者，各项轴旁近似均是参照图6做的。对于这种情况，将利用换能器孔径平面距离D确定孔径程差:,1 = 0歹+D2-D A句Dfl十卫LTi-D飞乙DJ ，12 二20 与此相似，轴向场点程差即可近似为:如图6中所示，当,1= a丰?-Z，1句z(l十二)-Z ,1 c; -2z . ( A. 17 a ) . ( A. 17b ) . ( A. 17c ) . ( A. 18a
26、) . ( A. 18b ) . ( A. 18c ) I ,1 - ,1 I = . . . ( A. 19 ) 时，即满足过渡条件。由式(A.17)和式(A.18)，这一条件将导致如下关系式:三(士古).( A. 20a ) 三(止一古)=一?. ( A. 20b ) 对Ztl和Zt2解方程式(A.19)，即得到与以前在方程式(A.16)中所得的同样的距离。由此，在所述条件下，图6中的程差判据即与以前确立的分区界限等效。27 GB/T 20249一2006/IEC61828:2001 附录B(资料性附录)确定规则声束束轴的方法声束轴搜寻方法的比较。-2 - 4 - 6 8 10 EE学l恩
27、B. 1 23.5 x/cm 23 注:图中中线指中点，PPI指脉冲声压平方积分。图B.1对具有声束中心的第一焦区在9cm深处的x轴扫描22.5 22 28 吃2。-5 止一10学m -15 -20 -25 20 积分值的平方采用表中所列轴的束宽中点。以能够提之平行的第二渡距离和远过渡采用与第一平中心点的直线。在表B.2中，归一化vPPSI线性o. 988 5 O. 95 O. 9 O. 85 0. 8 O. 75 0.7 O. 65 、l归画且如届选同好旺O. 977 1 O. 902 5 0.810 0 O. 722 5 0.640 0 O. 562 5 0.490 0 0.422 5 G
28、/T 20249-2006/IEC 61828: 200 1 r 24 x/crn 。图中中线指中点，PPI将脉冲声压平方的信号级范围内，中或其附近以增可以利用关于近过束宽级dB 一O.100 5 一0.4455 一O.915 1 - l. 411 6 -l. 9382 一2.4988 一3.0980 一3.7417 29 GB/T 20249-2006/IEC 61828: 200 1 表B.2(续)归一化VPPSI线性归一化PPSI线性束宽级dB 0.6 o. 360 0 一4.4370 o. 55 o. 302 5 5.192 7 o. 5 o. 250 0 -6.020 6 o. 45
29、 o. 202 5 -6.9357 o. 4 O. 160 0 一7.9588 O. 35 O. 122 5 -9.1186. O. 3 0.090 0 1. 457 6 0.25 0.062 5 1. 041 2 0.2 0.040 0 1. 979 4 O. 15 0.022 5 1. 478 2 0.1 0.010 0 一2.0000 0.05 0.002 5 一26.0206 30 GB/T 20249一2006/IEC61828:2001 附录C(资料性附录)确定不规则声束束轴的方法如正在测量中的声束不规则，即声束不对称且缺少清晰的单一峰值时，可以采用其他方法寻找声束轴。作为举例，请
30、见图C.l。图中各点表示由表B.2中声压值确定的束宽中心的位置;垂直线表示各束宽中心位置平均值(或束宽中点)所在的位置。该扫描图说明:在位于同一深度但相邻的不同扫描线中，可能存在多个峰值。在这种情况下，要获得二维矩心，就需寻找声25 X 25=625点的xy光栅扫能器，可以将电采用与第一声束轴就飞/b 哩4C ，、。对电子聚焦换31 GB/T 20249-2006/IEC 61828: 200 1 32 参考文献1J Krautkraemer ,J. and Krautkraemer, H. ,Chapter 4 , Ultrasonic Tsting of Materials, Spring
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33、 liquids in the frequency range O. 5 MHz to 25 MHz 8 J IEC 62092 , Ultrasonics-Hydrophones-Characteristics and calibration in the frequency range 15 MHz to 40 MHz 中华人民共和国国家标准声学聚焦超声换能器发射场特性的定义与测量方法GB/丁20249-2006/IEC61828: 2001 唔中国标准出版社出版发行北京复兴门外三里河北街16号邮政编码:100045网址电话:6852394668517548 中国标准出版社秦皇岛印刷厂印刷各地新华书店经销当告开本880X 1230 1/16 印张2.5字数68千字2006年10月第一版2006年10月第-次印刷9峰书号:155066 1-28008定价18.00元如有印装差错由本社发行中心调换版权专有侵权必究举报电话:(010)68533533FOONH N-国CON-守NONH阁。
