1、UDC 681.8 :629.12.05 :534.62 A 59 中华人民共和国国家标准GB 7966-87 声学0.5lOMHz频率范围内超声声功率的测量Acoustics-Ultrasonic power measurement in the frequency range 0.5-lOMHz 1987-06-22发布1988-04-01实施国东标准后向发布1 引言中华人民共和国国家标准声学0.5lOMHz频率范围内超声声功率的测量Acoustics-Ultrasonic power measurement in the frequency range 0.5-lOMHz UDC倒1.8
2、:629.12. 05 :53.62 GB 7966-87 1. 1 本标准规屯在0.510MHz频率范围内，测量平面活塞型超声换能器在校体中辐射连续波声功率的方法和技术规也。1. 2 本标准适用的测量范围为lmW20W。根据实际应用分成毫瓦级和瓦级二段。毫瓦级：l500mW。瓦级：0.520W。1. 3 本标准确定的洲过装置，根据使用H的要求和测量准确度分为二级z一级标准测量装置：作为测量越声声功率的基准，用以校准标准超声源（传递用标准器件）或要求测量准确度内的场合，其测量不确立度不大于5%。一二级标准测量：装置：用以校iE商用随声功率计、起ifH换能器和超声设备。此类装置应便于槐动，其测量
3、不确定度不大于土10%。1. 4 本标准11i使用的声学名词术语、量和单位的名称与符号均按照GB3947-83声学名词术i击队GB 3102. 7-86声学的量和单位等国家标准的规定。1. 5 本标准编制1j1部分参考了国际标准IEC 150 ( 1963）超声治疗机的试验和校准儿2 一级标准测量装置一级标准测量；装置采用辐射压力法测量超卢声功率。2. 1 测量原理在小报阳、v面赳卢场巾，两种媒质交界面上出现的时间平均单向压力即辐射压力，其值寄于界面两边fl千能密度的差值。由此产生的辐射压力可用一个置于起声场巾的靶来测定。超声换能器所辐射的总jhJ)J率W与作用在企反射靶上的力之间的关系为：W
4、 cF 一一,., . ,.,.,. ( 1 ) 2C OS 2 ( 式r1: W一一总声功率，W;F一一沿也声波轴线方rt1J11：用i二靶：的力，M（一一趟jh在液体r1的传播述度，m/s;O一一一靶面法线与人射声之间的夹角，（。）。注：毡；靶是种民1占6,:; t元111HJ以加IJl：辐射IUJ的特制的测试件。）川、if1ilWI形i，斤在）：i拟，、11ka二，3511、t( k沟液体qr起i;li波的lWll皮数，a/.J起i1l i换能榕的辐射、n全）, 1! ！、i;1f11放j/j；似所引人的以茅，不大l2%00 在1lil吸收不可.？.！赂的if?i.休巾，J1ii.il放
5、妆能6.1f1i乍啊1ui之间的自1离x m) I.的农减，!J!lj( l）式仪乘！对国家标准局1987-0622批准1988 04-01实施GB 7966-87 子e2az，其中为液体中平面声波的声压衰减系数，对于23的蒸馈水为： 2. 3 x 10 2尸.( 2 ) 式中I0-一一液体中平面声放的声压衰减系数，m-1,f一一频率，MHz。2. 2 毫瓦级测量装置毫瓦级测量装置示意图如图l所示。它是由自动电子微量天平、消声水槽和反射靶悬吊系统所组成。毫瓦级超声功率所产生的力约为零点几至几百微牛顿（相当于几十微克至几十毫克的重力）。为了减少水的表面张力影响和靶的悬吊系统扭转引起的波动，毫瓦级
6、装置应采用单根悬吊丝，测量时超声束垂直向上辐射。GB 7966-87 一下311 川10 图l毫瓦级测量装置示意图I一反恼式自动l微量天卒，2趟声发生器，3一反射靶I4一除气蒸销水，5吸声尖劈I6超声换能器F7一水、F调节机构，8一支架和防气流罩，9一底座，10隔m装置，11一悬吊丝2.3 瓦级测量装置瓦级测量装置与毫瓦级测量装贵相类似，如罔2所示。此级超声功率所产生的力约为零点几至几十毫牛顿（相当于几十运克至几克的重力。般悬吊系统用三根悬吊丝，测量时超声束垂直向下辐射。GB 7966-87 气叹气飞00 2 瓦级测最装置示意回l一电j飞天、卡或精密分析天、V12 -!Hifiitl三器，3一
7、三叉E4除气燕榴水，5一透声薄膜$6一反射靶；7一吸声尖费I8一赵i快能器E9一支架和1防气流罩z10的也1l一幢皮恪I12一，悬吊地2.4 测量仪器及主要部件2.4. 1 全反射靶2.4.1.1 毫瓦级靶的结构为一个巾空倒回锥体，如！用3所示。下推面顶角为90，用以测量皑声换能器垂直向上辐射时产生的力。GB 7966-87 2.4.1.2 瓦级靶的结构为一个中空倒圆锥体，如图4所示。上锥面是凹圆锥面，顶角为125135。，用以测量也声换能器垂直向下辐射时产生的力。图3毫瓦级全反射靶典型结构示意图GB 7966-87 图4瓦级全反射靶典型结构示意图2.4.1.3 靶的尺寸为壁厚0.20.6mm
8、，直径应大于超声换能器辐射面直径的1.5倍，应保证能截取声束的全部能量。 2.4.1.4 靶的材料采用不锈钢或铜（应电镶抛光），应保证靶具有一定的刚性，使真体积不受静压的变化而变化。靶的技术要求应达到锥面母线的平直度小于坡等于lOm，角度准确度小于10，表面相糙度为Rao.2om。质量分布均匀旦使靶在水中处于稳定平衡状态，垂直向下无偏斜。满足上述条件的靶，其声压反射系数大于0.97，由此引起声功率测量的不确定度不大于1%。2.4.1.5 靶的悬吊丝为直径不大于2om的尼龙丝或金属丝，由表面张力引起的测量不确定度可以忽略。2.4.2 测力仪器2.4.2. 1 毫瓦级测量装置应使用感量为O.lg的
9、反馈式电子微量天平，准确度应优t:O.lg，由此保证在水中测力时其感量优于1g。则对于lmW的声功率，由此引起的测量不确定度不大于i.sro。注2对于0= 45。的反射靶与lmW的声功率对应的力为68g的重力。2.4.2.2 瓦级测量装置应使用感量为O.lmg的电子天平或精密分析夭平，准确度应优于O.lm毡，则对于o.sw声功率由此引起的测量不确定度不大于0.2%。注g对于0= 22 .5 的反射靶，与05W声功率对应的力为58.5mg的重力。2.4.3 消声水槽;j(槽内壁应铺有吸声系数大于0.99的吸声材料，以保证所需的自由场条件，使由此引起的测量误差可以忽略。2.4.4 透声薄膜如果在超
10、声换能器和反射靶之间放置透声薄膜，应选用厚度小于2om的塑料薄膜，其声压透GB 7968-87 声系数应大于0.995，并应尽量靠近反射靶放置。为了防止薄膜反射时对测量的影响，薄膜应与超声换能器成略大于5。的倾斜角。2. 4.5 .隔振装置毫瓦级测量装置应采取隔振措施，以保证外界的振动不影响测量的准确度。2.5 测量要求2. 5.1 测量液体应使用除气蒸锢水。蒸锢水的除气，应将水置于低于4000Pa ( 30mmHg）的降压条件下处理3h，并继续在低压：态下封存3h后再使用，或者在大气压下把水煮沸15min进行除气。在测量过程中，尽量避免使空气再次溶于水中，并最少应在12h内进行一次除气，除非
11、采用了特殊的贮存方法。2.5.2 测量时水温应保持为23 3。2.5.3 为了防止周睛空气对流对测量的影响，在测量装置外应加防气流罩。2.5.4 测量中超声换能器的辐射面应直接与液体桐合，以避免附加桐合层引起的误差。测量前换能器表面，靶和薄膜应清洁处理，并应在除气水中漫泡至少2h，测量时应驱除所有表面上的气泡。2.5.5 测量中坦声换能器的安装应使其辐射的姐声束的轴线与靶的轴线在一条直线上。2.5.6 测量时换能器与靶、薄膜间的距离应尽可能小，以保证在近场中进行，避免超声束扩散对测量的影响：同时也不能离得太近，应保证从靶面反射的声能不直接反射到超声换能器表面。2.6 测量不确定度满足j二述要求
12、的装置，在偶然误差不大于1%时，超声声功率的测量不确定度不大于5%。3 二级标准测量装置. 3. 1 毫瓦级测量装置3. 1. 1 装置组成毫瓦级测量装置采用辐射压力法测量超声声功率。装置由全反射靶、力平衡检测系统和指示器等组成。使用力斗衡检测系统作测力装置，如图5所示。3. t.2 全反射靶J.h-D 图5毫瓦级二级标准测量装置示意图1一检零器82一全反射靶$3一届声换能器$4一放大器B5一伺服机构I6一趟声发生器s7一指示器GB 7966-87 全反射靶的结构、尺寸、材料和技术要求与第2.4.l款相同。也叮使用45人射角的rfI空全反射斗：板。3.1.3 测力设备测力设备在水中的分辨力应优
13、于3 go 3. 1. . 消声1.k槽消声水槽的要求与第2.4.3款相同。3. 1.5 透声薄膜透声薄膜的要求与第2.4.4款相同03. 1.6 测量不确定度满足上述要求的装置，其超声声功率的测量不确定度不大于士10%。3.2 瓦级测量装置3. 2.1 辐射压力法测量装霞3.2.1.1 概述辐射压力法一般使用标杆式浮f声辐射计、悬链浮于声辐射计和应变仪声辐射计。3. 2. 1. 2 标杆式浮子声辐射计标杆式浮于声辐射计由带标杆的锥形反射器组成，如图6所示。标杆挠没在相对密度大于l，与水不相溶混的液体（如四氯化碳）中。测量由声辐射压力引起的浮子下沉的位移来测定超声声功率。8 图6标杆式浮子声辐
14、射计1一也声换能器；2-i垂声薄膜$3 -i乎h4一凹氧化碳z5一除气蒸缩水$6一吸声尖劈，7一移动支架GB 79-66-87 3. 2 . 1. 3 悬链浮于声辐射计悬链浮f声辐射计的浮子系统由挂有三根悬链并带有标杆的锥形反射器组成。测量装置如图7所示。测量由声辐射压力引起的浮F下沉的位移来测定超声功率。图7悬链浮F声辐射计1超声换能器2一透声薄膜，3浮f 4一标尺，5一链条，6一吸声尖劈F7一除气蒸馈水3.2.1.4 应变仪声辐射计应变仪声辐射计由全反射靶，贴有电阻应变片桥路的金属悬臂梁和静态电阻应变仪组成，如图8所示。测量由声辐射压力引坦的悬臂梁的应变来测定届声jh功率。9 GB 796
15、6-87 L图8应变仪声辐射计的示意图1一静态电阻！在变以；2一超声发坐器F3一起声换能器F4一全反射靶，5一悬臂I 6 -/lj -J: H-照照；7 -t肖声水槽$8一除气蒸惯水3.2.1.5 全反射靶全反射靶的结构、尺寸、材料和技术要求与第2.4.l款相同。3.2.1.6 测力设备测力设备的测力分辨力吗不大于lmg，准确度应优于土3%。3. 2. 1. 7 消声水槽消声水槽的要求与第2.4.3款相同。3.2.1.8 透声薄膜透声薄膜的要求与第2.4.4款相同。3.2.1.9 测量准确度满足上述要求的装置，其超声声功率的测量不确定度不大于士10%;3.2.2 声光法测量装置3.2.2. 1
16、 测量原理小振幅超声平面行撞在透明液体中产生的相位光栅、u司制与之1E交的单色光束所产生的m级衍射光强11是正比于拉曼一纳斯参量V的m阶贝塞尔函数的平方。II /I 0 = :n ( V) 0 I (I为无声光调制时的直射光强。故测定各级衍射光强的相对变化值后，由贝塞尔函数表可得到相应的V值，利用式（3 ) 计算相应的图形横截面的平面波声束的声功率zw 9,“ 、EFt- 2l-m u-w cr飞一 q，缸”毛Uv2 . ( 3) 式中：俨一透明液体的密度，kg/m3;c一透明被体中的超声传播速度，m/s;l一一真空中的光波波长，m;n一一透明液体的光折射率。注：兰卡面技假设条件要求与第2.1
17、条注的要求相同。声吸收的修正与第2.1条的注相同。3.2.2.2 测量装置10 GB 7966-87 测量装置由单色光束准直光路、透明消声;j(槽与衍射光检测系统等部分组成，如图9所示。一一一一一一一一一I l ,-.-. H ；到9声光法测量装置！一怡色、飞；把.ft,f ）（：且在或激光器F2一准直光束，3一超声换能器，.j -Jj，l 5一透明悄声7)(糟I6一长焦距透镜，7一读数显J；改饶$8一光电检测器，9一除气蒸锢水3.2.2.3 咒路安，.R光？：元1卡自：1lf;可妻飞婪J技ifr移的f住确度优于士O.02mm，角度准确度优于士l，。J住：专:IC;kt;,j 3.2唱2.4！
18、良ii汪搭二足只才lfc徙器）：V:!;i，；乌有三个转动自由度与二个、卡移自由度的调节能力，以保证声束轴与光束轴垂直相拟青ti：t-j )t；来之raJfili离应可i周，要求位移准确度优于士0.02mm，角度准确度优于士lIo 3.2.2.5 itV3ir!;h:J槽t卖求：1；二h穿过的槽壁是光学透明平面，互相半行，倾角不大于1I o if.i;h在槽的要求与第2.4.3款相同。3.2.2.6 测量不确定度满足k述要求的装置，其超声声功率的测量不确定度不大于10%。注：对于辐射面振动不均匀的换能器，若只在也JEi末截面的一条直径方向通过平行细光束测量）ii，功率，可能会冲现较大的测敏误差。在这种悄况下，应绕声束轴以专角rr/J旋转换能器J次Uhil大于或等于4) .arr洲战，以J次测得的声i功学的努术、v均值为该换能器的声功率。11 温度，20 21 22 23 24 25 .26 27 附加说明：GB 7966-87 附录A蒸锢水的份声速（参考件）本标准由全国声学标准化技术委员会审查通过。本标准主要起草人熊大莲、寿文f惠。12 卢述，m/s1482 1485 1488 1491 1494 1497 1499 1502
