0.5MHz-15MHz 超声声场特性校准规范.pdf

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浙江省地方计量技术规范JJF（浙）1174-20210.5MHz-15MHz超声声场特性校准规范CalibrationSpecificationforAcousticPerformanceofUltrasonicFieldintheFrequencyRange0.5MHzto15MHz2021-03-05发布2021-06-05实施浙江省市场监督管理局发布0.5MHz-15MHz超声声场特性校准规范CalibrationSpecificationforAcousticPerformanceofUltrasonicFieldintheFrequencyRange0.5MHzto15MHz归口单位：

浙江省市场监督管理局主要起草单位：

浙江省计量科学研究院中国计量大学JJF（浙）1174-2021JJF（浙）11742021JJF（浙）11742021II本规范主要起草人：

俞醒言（浙江省计量科学研究院）高申平（浙江省计量科学研究院）姚磊（浙江省计量科学研究院）郑慧峰（中国计量大学）参加起草人：

吴德林（浙江省计量科学研究院）李娜（浙江省计量科学研究院）李凤鸣（中国计量大学）JJF（浙）11742021JJF（浙）11742021I目录引言.II1范围.12引用文件.13术语和计量单位.14概述.25计量特性.26校准条件.37校准项目和校准方法.48校准结果表达.79复校时间间隔.7附录A校准记录的内容.8附录B测量不确定度评定示例.11JJF（浙）11742021JJF（浙）11742021II引言本规范依据JJF10712010国家计量校准规范编写规则所给出的规则和格式编制。

本规范参照了GB/T165401996声学在0.515MHz频率范围内的超声场特性及其测量水听器法、GB/T198902005声学高强度聚焦超声（HIFU）声功率和声场特性的测量和JJF16502017超声探伤仪换能器声场特性校准规范等相关资料。

本规范为首次发布。

JJF（浙）11742021JJF（浙）1174202110.5MHz-15MHz超声声场特性校准规范1范围本规范适用于0.5MHz15MHz频率范围内水中聚焦换能器的声场特性校准，其他频率范围的换能器超声声场特性校准可参照本规范。

2引用文件本规范引用下列文件：

JJF1001通用计量术语及定义JJF1034声学计量术语及定义JJF1059.1测量不确定度评定与表示JJF16502017超声探伤仪换能器声场特性校准规范GB/T3102.7声学的量和单位GB/T165401996声学在0.515MHz频率范围内的超声场特性及其测量水听器法GB/T198902005声学高强度聚焦超声（HIFU）声功率和声场特性的测量凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本规范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本规范。

3术语和计量单位JJF1001和JJF1034界定的及以下术语和定义适用于本规范。

3.1声焦距pressurefocallength聚焦换能器有效辐射面至声压焦点的距离。

一般可用声压焦点处水听器接收到的声压信号与聚焦换能器的发射信号之间的声程差来表示。

3.2焦域focalregion聚焦声场中包含焦点并具有下列性质的所有点构成的连续空间：

在这些点处，时间平均声强（或声压有效值平方）大于或等于时间平均声强（或声压有效值平方）最大值的一个指定的百分数。

对-3dB焦域、-6dB焦域、-10dB焦域，时间平均声强分别对应的百分数是50%、25%、10%，声压有效值分别对应的百分数分别是70.7%、50%、31.6%。

3.3-3dB（或-6dB/-10dB）焦域尺寸fullwidthat70.7%（or50%/31.6%）of（pressure）maximum-3dB（或-6dB/-10dB）焦域在垂直于声束轴方向上和声束轴方向上的最大尺JJF（浙）11742021JJF（浙）117420212寸，即声压焦平面内的最大-3dB（或-6dB/-10dB）声束宽度和声束轴上的声压-3dB（或-6dB/-10dB）最大长度。

3.4声重复周期acousticrepetitionperiod非自动扫描系统的脉冲重复周期或自动扫描系统的扫描重复周期。

对于连续波系统为相邻两周期间的时间间隔。

3.5正峰值声压peak-positiveacousticpressure声场中声重复周期的正瞬时声压的最大值。

3.6负峰值声压peak-negativeacousticpressure声场中声重复周期中的负瞬时声压绝对值的最大值。

峰值负声压用正数表示。

3.7空间峰值声强spatialpeakintensity声场中脉冲持续时间的平均声强的最大值。

3.8-10dB辐射声功率acousticradiationpowerofthetransducerat31.6%of（pressure）maximum换能器在单位时间内，-10dB焦域在声压焦平面区域内的声能。

4概述聚焦换能器广泛应用在超声医疗诊断、治疗和工业超声等领域，聚焦换能器的声场特性是换能器的重要参数，可以通过水听器测量与分析获得。

5计量特性5.1声焦距声焦距的偏差一般不超过标称值的15%。

5.2-3dB（或-6dB/-10dB）焦域尺寸-3dB（或-6dB/-10dB）焦域尺寸的偏差一般不超过标称值的25%。

5.3正峰值声压和负峰值声压正峰值声压和负峰值声压的偏差一般不超过标称值的25%。

5.4空间峰值声强空间峰值声强的偏差一般不超过标称值的30%。

5.5-10dB辐射声功率-10dB辐射声功率的偏差一般不超过标称值的35%。

JJF（浙）11742021JJF（浙）117420213注：

由于校准无需作出合格与否的判定，因此上述技术指标仅供参考。

6校准条件6.1环境条件室温：

（1530）；水温：

（233）。

6.2测量标准及其他设备6.2.1信号发生器及功率放大器具备调制脉冲信号产生的波形发生器，频率范围至少覆盖（0.515）MHz。

功率放大器能够放大信号，并驱动换能器工作，带宽至少覆盖（0.515）MHz，总失真不大于2%。

6.2.2测量水听器及其前置放大器在频率响应范围覆盖0.5MHz15MHz。

水听器敏感元件有效半径与四分之一声波波长可比拟或小于四分之一波长，或其最大有效半径按公式

（1）计算：

2/12121max）（8alaaawf

（1）式中：

awf与声工作频率相对应的声波长，单位为毫米（mm）；1a超声换能器或换能器阵的有效半径，或其最大尺寸的一半，单位为毫米（mm）；l水听器与超声换能器表面间的距离，单位为毫米（mm）。

注：

能实现同等技术指标的水听器均可用于该测量系统。

6.2.3精密坐标测量装置精密坐标测量装置由测量用水槽和自由度调节机构组成。

测量用水槽满足声场扫描范围的需求，水槽内空间尺寸应不小于0.5m0.5m0.5m，具备至少两个自由度调节机构用于调节超声换能器的位置和姿态。

夹持调节机构具有X、Y、Z的空间定位，以及调节水平偏转和垂直俯仰功能，其中X、Y、Z的空间定位精度应优于50m，水平偏转和垂直俯仰旋转角度分辨力优于0.05。

6.2.4信号采集装置工作频率上限不低于100MHz，采样率应高于200MHz；不少于两个通道，具备时间延迟测量和幅值测量功能，采样精度要求，A/D位数不低于8位。

6.2.5温度测量设备测量范围（205），最大允许误差优于0.1。

JJF（浙）11742021JJF（浙）1174202146.2.6溶解氧测量设备溶解氧测量设备能够测量水中溶解氧量，最大允许误差0.5mg/L。

7校准项目和校准方法7.1校准项目超声声场特性的校准项目见表2。

表2超声声场特性校准项目一览表序号项目名称技术要求的条款号校准方法的条款号1声焦距5.17.2.12-3dB（或-6dB/-10dB）焦域尺寸5.27.2.23正峰值声压和负峰值声压5.37.2.34空间峰值声强5.47.2.45-10dB辐射声功率5.57.2.57.2校准方法7.2.1声焦距声焦距的测量装置如图1所示，水槽中注入纯净水或经过净水处理之后的自来水，必须经过除气处理，含氧量4mg/L，温度保持在（232）。

图1超声声场特性校准装置的示意图JJF（浙）11742021JJF（浙）117420215调整水听器和待测换能器，使水听器置于待测换能器的声场声轴线上。

设定信号发生器的工作频率，采用调制脉冲模式，确保水听器的输出达到稳定状态，且不受反射波等干扰。

通过自由度调节机构带动水听器定位到换能器的声轴位置，沿声轴方向进行纵向声压扫描，扫描步进间隔一般设置为不超过工作频率所对应波长的一半，得到待测换能器声轴上声压分布（如图2所示）。

将水听器沿声轴移动到声压最大值位置（即为焦点位置），用示波器测定发射电脉冲前沿与水听器输出的直达声脉冲信号前沿的时间间隔t。

按公式

（2）计算声焦距：

tcFpres

（2）式中：

c水中的声速，单位为米每秒（m/s）。

注：

测量扫描起始和结束时的水槽中的水温，以平均温度作为参考值，查询当前参考值温度下的去离子水声速值。

图2待测换能器声轴上声压分布及声焦距测量示意图7.2.2-3dB（或-6dB/-10dB）焦域尺寸通过多自由度调节机构带动水听器对待测换能器焦平面（焦距处垂直于声轴的平面）进行辐射声场扫描，得到声压位置的二维云图。

在此二维云图中找到声压最大值与对应位置，在该位置周围寻找声压级-3dB（或-6dB/-10dB）的位置点，拟合所有位置点成封闭圆，该圆的直径即为焦平面内-3dB（或-6dB/-10dB）焦域尺寸L1。

按照7.2.1沿声轴方向移动水听器，得到待测换能器声轴上的声压分布图（如图2所示），在焦点位置沿声轴方向找到最大声压级-3dB（或-6dB/-10dB）的两个位置点，两位置点之间的距离即为声束轴上的-3dB（或-6dB/-10dB）焦域尺寸L2。

7.2.3正峰值声压和负峰值声压JJF（浙）11742021JJF（浙）117420216按照7.2.1得到的待测换能器焦点位置，将水听器置于焦点位置处，信号发生器发生信号，同步触发示波器采集水听器输出的电压信号，得到如图3的时域波形图。

通过水听器灵敏度LM与示波器电压示值U、U，按照公式（3）、（4）计算得到焦点处正峰值声压p和负峰值声压p：

LMUp/（3）LMUp/（4）/U声焦点处水听器输出电压信号电压正/负峰值，单位为伏（V）；LM水听器在声工作频率处的自由场电缆端有载灵敏度，单位为伏每帕（V/Pa）。

图3焦点处正/负峰值声压对应的电压输出示意图7.2.4空间峰值声强在声焦点处，按照7.2.3步骤测量脉冲持续周期内水听器输出正峰值电压U和负峰值电压U。

按照公式（5）计算导出空间峰值声强spI：

2224）（LspcMUUI（5）式中：

水的密度，单位为千克每立方米（3/mkg）；7.2.5-10dB辐射声功率按7.2.2得到焦平面-10dB焦域。

在-10dB焦域内，参照7.2.4的方法，依次JJF（浙）11742021JJF（浙）117420217改变水听器位置，得到每个扫描网格面积上的空间声强ispI，对ispI进行面积积分，得到待测换能器-10dB辐射声功率。

8校准结果表达8.1校准数据处理所有的数据应先计算后修约，测量不确定度保留两位有效数字。

8.2校准证书超声换能器经校准后出具校准证书，校准证书应包括的信息及推荐的校准证书内页格式见附录A。

8.3校准结果的测量不确定度评定测量不确定度评定按JJF1059.12012进行，其测量不确定度评定示例见附件B。

9复校时间间隔超声声场特性的复校时间间隔建议为一年。

然而，复校时间间隔的长短取决于仪器的使用情况（环境条件、使用频率、测量对象等）、使用者、仪器本身质量等诸多因素，因此，可根据实际使用情况自主决定复校的时间间隔。

JJF（浙）11742021JJF（浙）117420218附录A校准记录的内容A.1校准证书至少应包括以下信息:

a）标题，如“校准证书”；b）证书的编号、页码及总页数；c）校准实验室的名称和地址；d）进行校准的日期；e）进行校准的地点（如果与校准实验室的地址不同）；f）客户的名称和地址；g）被校测试声源的型号、规格及出厂编号；h）本技术规范的名称及代号；i）本次校准所用测量标准溯源性及有效性的说明；j）校准环境的描述；k）校准结果及其测量不确定度的说明；l）校准证书签发人的签名、职务或等效标识，以及签发日期；m）校准结果仅对被校对象有效的声明；n）未经实验室书面批准，不得部分复制证书的声明。

A.2推荐的超声声场特性校准证书的内页格式见表A.1JJF（浙）11742021JJF（浙）117420219表A.1校准证书的内页格式证书编号校准的技术依据JJF（浙）1174201210.5MHz-15MHz超声声场特性校准规范校准环境条件及地点室温水温地点校准使用的计量（基）标准装置名称测量范围不确定度/准确度等级/最大允许误差计量（基）标准证书编号有效期至校准使用的标准器名称测量范围不确定度/准确度等级/最大允许误差检定/校准证书编号有效期至第页共页JJF（浙）11742021JJF（浙）1174202110校准结果校准结果一、基本概括一、基本概括超声换能器基本概况描述，包括发射频率、材质、尺寸大小等。

二、校准结果二、校准结果1、声焦距、声焦距焦距为mm，U=%（k=2）2、-3dB（或（或-6dB/-10dB）焦域尺寸）焦域尺寸焦平面内-3dB（或-6dB/-10dB）焦域尺寸L1=，U=%（k=2）声束轴-3dB（或-6dB/-10dB）焦域尺寸L2=，U=%（k=2）3、正峰值声压和负峰值声压、正峰值声压和负峰值声压焦点处，正峰值声压Pa，负峰值声压Pa，U=%（k=2）4、空间峰值声强、空间峰值声强空间峰值声强spI为U=%（k=2）5、-10dB辐射声功率辐射声功率-10dB辐射声功率为U=%（k=2）第页共页图A.1校准证书内页的格式JJF（浙）11742021JJF（浙）1174202111附录B测量不确定度评定示例B.1测量方法本规范以超声声场特性的焦平面内-10dB焦域尺寸参数为范例，进行测量不确定度的评定。

通过多自由度调节机构带动水听器对待测换能器焦平面（焦距处垂直于声轴的平面）进行辐射声场扫描，得到声压位置的二维云图。

在此二维云图中找到声压最大值与对应位置，在该位置周围寻找声压级-10dB的位置点，拟合所有位置点成封闭圆，该圆的直径即为焦平面-10dB焦域尺寸。

B.2测量模型焦平面内-10dB焦域尺寸是基于步进扫描系统开展的，其测量模型为：

lNam（B.1）式中：

ma-测量的焦平面-10dB焦域尺寸，mm；N-步进数；l-当前状态下的扫描步进长度，mm。

B.3标准不确定度的A类评定B.3.1测量重复性引入的不确定度分量对被校换能器进行焦平面-10dB焦域尺寸测量，可在重复性条件下，通过连续测量十次得到测量结果，得到的实验标准偏差作为重复性所引入的标准不确定度分量u1。

数据如下表B.1：

JJF（浙）11742021JJF（浙）1174202112表B.1焦平面-10dB焦域尺寸测量重复性次数长轴尺寸（mm）13.3623.3033.3943.2753.3663.2773.2483.4593.36103.27标准偏差s（mm）0.07标准不确定度（%）2.1B.4标准不确定度的B类评定B.4.1多自由度调节机构引入的标准不确定度分量u2实验所用的空间定位机构的精度主要是步进电机精度，考虑外接环境影响及安装精度和长时间扫描等特殊情况，在扫描期间其重复定位精度优于m50。

以最小声场参数2.0mm为例，扫描定位引起的测量误差不大于3.0%，按照均匀分布取3k，则标准不确定度为：

u2=3%/1.73=1.7%B.4.2水听器引入的标准不确定度分量u3声场扫描过程中，待校换能器的声场特性主要通过水听器进行信号采集，水听器引入的标准不确定度主要是因为水听器的灵敏度不确定度及指向性引起的。

根据相关文献，水听器的灵敏度不确定度U=10%，k=2，换算成标准不确定度为5%。

同时因为水听器和待校换能器的声轴并不始终重合，因此必须考虑水听器指向性带来的影响。

根据多自由度调解机构的运动方式，我们可以估算水听器和待校换能器的声轴夹角不超过5，根据实验数据对声压幅值损失最大为5%，按照均匀分布，换算成标准不确定度为5%/（21.73）=1.44%。

合成上述两方面的影响，水听器对声压幅值影响的标准不确定度为5.2%，即0.46dB，通过声压位JJF（浙）11742021JJF（浙）1174202113置的二维云图估算，大致在0.12mm，即3.6%，因此，水听器引入的标准不确定度分量u3=3.6%B.4.3拟合算法引入的标准不确定度分量u4在实际测量过程中，因超声换能器非理想垂直或水平夹持，以及测量过程中噪声干扰，扫描机构行进过程中的振动干扰，声场的形态往往不是非常理想，焦平面内声焦域尺寸需要利用算法拟合得到。

经实验验证，拟合算法引入的误差一般不超过3.0%，假设满足均匀分布，因此3k，则标准不确定度为：

u4=3%/1.73=1.7%B.4.4声场不理想引入的标准不确定度分量u5在进行超声声场扫描过程中，超声换能器辐射出的声场不严格垂直于探头表面，导致扫描得到的用于计算声焦域平面与探头表面很难严格平行，而且辐射声场本身也并不非常理想对称，多次实验表明，声场不理想引入的最大偏差一般不超过4.0%，因此3k，则标准不确定度为：

u5=4%/1.73=2.4%B.4.5信号采集装置的测量引入的标准不确定度分量u6根据信号采集装置的溯源证书，其测量误差不超过0.2%，按照均匀分布，取3k，则信号采集系统测量误差引入的标准不确定度为u6=0.2%/1.73=0.12%B.4.6信号发生器及功率放大器引入的标准不确定度分量u7信号发生器及功率放大器的信号幅值误差一般不低于0.2%，稳定性也非常好，因此其引入的标准不确定度为u7=0.2%/1.73=0.12%B.5合成标准不确定度B.5.1影响焦平面-10dB声焦域尺寸的各输入量互相独立，不确定来源和相JJF（浙）11742021JJF（浙）1174202114对合成标准不确定度如表B.2所示。

表B.2测量不确定度来源汇总表标准不确定度分量不确定度来源相对标准不确定度值/%u1测量重复性2.1u2多自由度调节机构1.7u3水听器3.6u4拟合算法1.7u5声场干扰2.4u6信号采集装置0.12u7信号发生器及功率放大器0.12B.5.2超声换能器焦平面-10dB焦域尺寸测量结果，合成标准不确定度uc的计算。

合成标准不确定度计算式为：

272221.uuuuc=5.4%B.6扩展不确定度取包含因子k=2，则扩展测量不确定度U=kuc=25.4%=11%本次在测量超声换能器焦平面-10dB焦域尺寸时，扩展不确定度为：

U=11%k=2