YY-T 0163-2005 医用超声测量水听器特性和校准.pdf.pdf

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1、I CS 1 1 . 0 4 0 . 5 0 C 4 1 yy 中 华 人 民 共 和 国 医 药 行 业 标 准 Y Y / T 0 1 6 3 -2 0 0 5 代替 YY/ T 0 1 6 3 -1 9 9 4 医用超声测量水听器特性和校准 C h a r a c t e r i s t i c s a n d c a l i b r a t i o n o f h y d r o p h o n e s f o r me d i c a l u l t r a s o n i c f i e l d s 2 0 0 5 - 1 2 - 0 7 发布2 0 0 6 - 1 2 - 0 1

2、 实施 国家食品药品监督管理局发 布 YY / T 01 6 3 -2 0 0 5 月 9台 本标准的附录 A是资料性附录。 本标准由国家食品药品监督管理局提出。 本标准由全国医用超声设备标准化分技术委员会归口。 本标准由上海交通大学、 国家武汉医用超声波仪器质量监督检测中心负责起草。 本标准主要起草人 : 寿文德 、 段世梅 、 顾 欣 、 白德念 。 Y Y/ T 01 6 3 -2 0 0 5 医用超声测t水听器特性和校准 范围 本标准规定了。 . 5 MHz -1 0 MH z 频率范围内， 采用压电传感元件测量医用超声设备在水中产生 的脉冲的或连续波超声场的水听器的术语和定义、 产品

3、分类、 要求和校准方法。 本标准适用的水听器是一种已知灵敏度且具有高频宽频带频率响应的水下声接收器。它由圆片形 的压电传感元件， 声学结构件， 外壳， 电缆和插头组成。有针形和薄膜形两种主要结构形式。 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。 GB / T 3 9 4 7 声学名词术语 3 术语、 定义及符号 3 . ， 术语和定义 G B /

4、T 3 9 4 7 确立的以及下列术语和定义适用于本标准。 3 .1 . 1 声中心a c o u s t i c c e n t r e 换能器上或接近换能器的一点， 从远离换能器的空间点处可以观察到换能器是从该点发射呈现出 发散状态的球面波。 3 . 1 . 2 水听器 h y d rop h o n e 对水中的声信号发生响应并产生相应的电信号的一种换能器。 注: 用于测量高频超声场的水听器通常由一个薄圆盘形的压电元件作为灵敏元件， 被安装在一个针状探头的顶端 或成为一个绷紧的塑料薄膜的一部分而构成的。灵敏元件通常直径小于 1 -。本标准中所用的“ 水听器” 一 词， 即指上述两种微型灵

5、敏元件的水听器。对于大换能器作水听器用时， 则称为“ 接收器” 3 . 1 . 3 可 逆换能器 r e v e r s i b l e t r a n s d u c e r 一个既可用作水听器亦可用作发射器的换能器， 后者是一种将电信号转换为声信号的装置。 3 . 1 . 4 互易换能 器 r e c i p r o c i t y t r a n s d u c e r 线性， 无源， 可逆并满足互易原理的换能器。 3 . 1 . 5 水听器开路电压o p e n - c i rcu i t v o l t a g e a t a h y d r o p h o n e 无电流通过状态下

6、水听器的电端出现的电压。 符号 : U 单位 : V Y Y/ T 0 1 6 3 -2 0 0 5 3 . 1 . 6 水听 器自由场( 电 压) 灵敏度 f r e e - f ie l d s e n s i t i v i t y o f a h y d rop h o n e 水听器输出端开路电压， 与声场中引人水听器前存在于水听器的声中心位置处的未扰动的声压的 比值 。 符 号: M 单位: V / P a 注 1 :自由场电压灵敏度是对一个平面行波而言的。水听器相对于平面波传播的方向， 输出端和频率都应指明。 注 2 :自由场电压灵敏度常用“ 级” 来表示 单位为分贝， d B.

7、自由场电压灵敏度级是由自由场电压灵敏度与其基准 值之比值以 1 0为底的对数乘以2 0 。常用基准值在水中为 1 V/ W P a 3 . 1 . 7 发射器的发送电 流响应 t r a n s m i t t i n g r e s p o n s e t o c u r re n t o f a p r o j e c t o r 在某一指定频率下， 在发射器的无干涉效应的声场中的指定某一点处( 或某一面上) 声波的声压( 或 该面上的平均声压) 与流过发射器电端的电流的比值。 符号: S 单位: P a / A 3 . 1 . 8 互易常数r e c i p r o c i t y c

8、o e f f ic i e n t , r e c i p r o c i t y c o n s t a n t 满足电声互易原理的电声换能器， 其互易常数为用作水听器时的自由场( 电压) 灵敏度M 与用作发 射器时的发送电流响应 S的比值。在发送的声波近似为平面波的情况下， 互易常数近似为 2 A / p c ， 称为 平面波互易常数。式中A为换能器的有效面积, p 为传声媒质的密度， 为媒质中的声速。 符号 : I 单 位: W / P a 注:平面波互易常数适用于平面波传播.但本标准所述的校准方法中， 真正的平面波并未实现。为此提出了一个 对声场偏离平面波条件作出修正的修正系数。 3

9、 . 1 . 9 水听器的 指向性响应 d i r e c t i o n a l re s p o n s e o f a h y d ro p h o n e 在指定频率下在通过水听器的声中心的指定平面内。水听器响应作为人射声平面波的传播方向的 一个函数的描述， 常用图线表示。 3 . 1 . 1 0 电缆端漏电阻 e n d - o f - c a b l e le a k a g e r e s i s t a n c e 水听器电缆末端的电端所施加的电压与流过该端的直流电流的比值。 符号 : R, 单位 : 0 3 . 2 符号表 A辅助换能器的有效面积， mZ ; a水听器的有效半

10、径， m; a辅助换能器的有效半径， m; a 。必须用来减少参考电压 U , “ 使之等于电压U的因数; a .必须用来减少参考电压 U ， 使之等于电压U 的因数; a为驱动一个流过阻抗 风、 的电流等于 I， 而用以减少参考电压以 ; 的因数; 。水中 的 声速 ， m / S ; d水听器与反射器间的距离, m; d ,辅助换能器与反射器间的距离， 。; YY/ T 0 1 6 3 -2 0 0 5 最大测量频率， H z ; 单独用辅助换能器情况下， 对衍射损失的修正因数; 使用辅助换能器和水听器情况下， 对衍射损失的修正因数; 只有在某些测量条件下可应用的把 G ; 和G : 结合

11、起来的修正因数; 流过辅助换能器的电流， A; 流过在辅助换能器处引人短路的电流， A; 互易常数， W / P a ; 平面波互易常 数t J , =2 A I p c ) , W/ P a ; 为得到辅助换能器的开路电压的修正因数; 为得到水听器的开路电压的修正因数; 水听器的自由场( 电压) 灵敏度， V/ P a ; 在假定理想平面波测量条件下， 水听器的表观自由场( 电压) 灵敏度， V / P a ; 近场距离 N=时 / 对, m; 声压， P a ; 辅助换能器发射的平面波声压， P a ; 等于精密衰减器的特性阻抗的标准负载阻抗， n; 水听器电缆末端的漏电阻， n; 在反射

12、器与水的界面上的声压( 幅度) 反射系数; 从辅助换能器到水听 器的归 一化距离谧 ， 一( d , +d ) x / 时) , m ; 辅助换能器发射电流响应， P a / A; 在假定理想的平面波测量条件下， 辅助换能器的表观发送电流响应， P a / A; 水听器的开路电压， V; 辅助换能器的开路电压， V; 参考电压， V; 换能器辐射面的振速， m / s ; 沿换能器的声轴的距离， m; 水中声压幅度衰减系数， N p / m; 水中的声波长 ， m; 水的密度， k g / m . 凡GI叹Gc1l几1Jl.JkulkuM砂N尸PIRORlr!slSlUU呱 4 产 品分类 用

13、于标准化测量 目的的水听器， 分为针形( Z型) 和薄膜形( M 型) 两类。按照其主要应用规定分为 A级和 B级 : a ) A级水听器: 为已校准的精密水听器， 满足 1 0 MHz 以内频率分量的超声场特性的定量化测量 要求， 它们应能测量在任何声场条件下在一点处的瞬态声压。这种声场条件多半可在大多数 类型的医用超声换能器的焦区或靠近焦区处观察到。 b ) B级水听器: 为普通的测量水听器， 仅用于相对测量的而不是定量的测量时， 例如测量声场的 空间特性。 5 要 求 5 . 1 灵敏度 5 . 1 . 1灵敏 度级 YY / T 0 1 6 3 -2 0 0 5 5 . 1 . 1 .

14、 1 Z型水听器 A级与 B级二者的自由场( 电压) 灵敏度应足以用高于 6 d B的信噪声比对 3 X1 0 P a 声压进行 测量。 5 . 1 . 1 . 2 M 型水听器 A级与 B级二者的自由场( 电压) 灵敏度应足以用高于 6 d B的信噪声比对 3 X1 0 P a声压进行 侧量 5 . 1 . 2 线性度 对 A级与 B级二者， 要求在 3 X1 0 P a ( Z型) 或3 X1 0 P a ( M型) 至3 X 1 0 P a的动态范围内， 水听 器的输出电压应在士1 0 %的容限内对自由场声压是线性的。在对照自由场声压的输出电压的曲线图 上， 通常以原点至 3 X1 0

15、P a 对应的电压值的直线作为理论拟合直线， 在这动态范围内的实际测得值与 拟合直 线之差不应大于11 0 %0 5 . 1 . 3 频率响应 在。 . 5 MHz -1 0 MH: 频率范围内， 筱盖至少 2 . 5 个倍频程的注明频带内， 自由场灵敏度级对A级 在士2 d B容限内为常数， 对 B级在容限士4 d B内为常数。在标明的频带内， 对不连续的频率的灵敏度 数据， 相邻频率间隔内灵敏度变化小于士1 . 5 d B . 5 . 1 . 4 温度稳定性 在 1 6 0 C -3 0 C 温度间， A级水听器的灵敏度级偏离 2 3 时值不应大于士1 d B ; 在 3 0 C - 4

16、0 时， 灵敏度级偏离 2 3 时的值不大于士2 d B, 5 . 1 . 5 时间德定性 A级水听器在一年时间内， 灵敏度级变化不大于士2 d B 。因此在不长于 1年的时间内水听器应重 复校准 。 5 . 2 指向性 5 . 2 . 1 6 d B波束宽度 在工作频率为3 . 5 MHz 处， 在过最大灵敏度方向的两个相互垂直的平面内， 测得的两个一6 d B指 向性开角的平均值 0 - s - 对0 1 m m的灵敏度元件的水听器: Z型 0 - s d e 3 0 ; M 型0 - s d B 6 * . 对 0 0 . 6 m m的灵敏度元件的水听器: Z f 6 - s a e 4

17、 0 0 , M 型b - s .1 0 . 5 . 2 . 2 轴偏差 最大灵敏度方向和几何轴之间的偏差1 0 0 k a . 5 . 3 . 4 水听器可作发声器用时， 应给出 最大的激励电压U P , 与占 空比D . 5 . 4 机械和环境方面 5 . 4 . 1 应给出灵敏材料类型。 5 . 4 . 2 应给出灵敏元件和水听器的主要尺寸。 5 . 4 . 3 已安装好的水听器的基本厚度共振频率 f , 2 f _ 5 . 4 . 4 应给出外露材料的类型。 5 . 4 . 5 应给出不相容材料的限制。 5 . 4 . 6 应给出机械应力方面的限制。 YY/ T 0 1 6 3 -2

18、0 0 5 校准方法 6 . 1 双换能器互易法校准原理 本标准推荐用双换能器方法来校准标准水听器。水听器是在一个辅助换能器的已知声场中校准 的; 该声场预先用 自互易法定量标定。在自易校准中， 使用单一频率的正弦波群( 碎发音) 信号， 得到的 校准数据仅与一个频率相关。因此， 必须逐点地获得一个完全的频响曲线。 6 . 1 . 1 用自互易法侧定辅助换能器的发送电流晌应 首先用一个平面的互易换能器( 与之相关的参量使用下标号 1注明) 作为辅助换能器进行自易 校 准。 如图 1 所示， 测量激励电流 I和调整辅助换能器的方向， 使来自反射器 R反射的第一回波信号电 压 U 达到最大值， 测

19、定假设理想平面波测量条件下它的表观发送电流响应， 按式( ”计算 S i S : 一 ， / I， 一U ,I, J , 和 J 一2A , . 。 . . ， 。 。 ( 1 ) 式 中 : p ,辅助换能器 T发射的平面波声压， P a ; 几平面波互易常数， W/ P a 2 ; A,辅助换能器 T表面的有效面积， m 2 ; P 传声媒质( 水) 的密度， k g / m ; c 传声媒质( 水) 中的声速 ， m/ S o 图 1 互 易法测，示愈圈 6 . 1 . 2 用代换法得到自由场电压灵敏度 移去反射器， 让待校准的水听器H浸没在辅助换能器T的已知声场中， 测定它的开路输出电

20、压 U, 则假设理想平面波测量条件下的表观自由场电压灵敏度由式( 2 ) 给出: U U 月 刃万 rvi导=下 了 J 下 下 一 D , 1 , V U , (2 ) 式中M , U, U I , J , , p . 见3 . 2 . 6 . 1 . 3 对非平面波条件的修正 考虑到换能器的衍射和吸收， 以及反射器的声压反射系数 r 等的影响， 采用修正系数 K， 对校准结 果加以修正。则水听器的自由场电压灵敏度 M、 修正系数 K由式( 3 ) 和式( 4 ) 计算: M二 M . K K二丫 瓦 忑 万 e l0 / ( k G 2 ) (3 ) (4 ) 5 YY/ T 0 1 6

21、3 -2 0 0 5 式中M , k G l, r , - , d , k . , G ， 见3 . 2 . 6 . 2 试验仪器、 设备及其要求 6 . 2 . 1 总的测.装t和条件 图 2 示出实际的相关测量电路。在粹发音信号发生器的激励下。辅助换能器 T辐射含有 1 0 .2 0 个周期的重复正弦波“ 群” 到一个水槽中， 在水槽中它被一块厚不锈钢反射器 R反射。换能器调整到使 声束轴垂直于反射器平面; 在第二步水听器校准时， 移去反射器， 调整水听器位置与方向， 使它的最大灵 敏度方向与辅助换能器的声束轴处于声学共轴状态。 。叭 电 流 操 头 葬发音信 号发生册;t1r, K /

22、精密 衰减器 终劝 负 软 电阻 R n 示 波 器 图2 测t电路 6 . 2 . 2 测f仪器 6 . 2 . 2 . 1 碎发音信号发生器 工作频率: 0 . 5 MHz -1 0 MHz 连续可调。 最大输出幅度: Uo m3 0 V( 5 0 W , f o 2 0 V ( 5 0 S b ) , 7 MH z 2 连续可调。 频率计时 基频率1 0 MH z , 稳定度优于士1 。 一 ， 。 6 . 2 . 2 . 2 精密衰减器输出阻抗 R a =5 0 d l 或 7 5 d l ， 精度 。 . 1 d B， 频率范围: 0 3 0 MHz , 6 . 2 . 2 . 3

23、通用示波器， 频响至少 2 0 MHz ， 输入阻抗 1 MS ) / / 3 0 p F . 5 . 2 . 2 . 4 标准无感电阻 R 。 误差士1 %0 6 . 2 . 3 辅助换能器的要求 6 . 2 . 3 . 1 应有一个直径大于所使用的频率的水中声波长的 1 0倍的圆形平面换能元件， 辅助换能器对 水听器的直径之比大于5 , 6 . 2 . 3 . 2 具备互易性。辅助换能器与另一换能器组成的发射换能器接收换能器排列对时， 测定其正向 的换能器转移阻抗( 接收器的开路输出电压对发射器的输人电流的比值) ， 和逆向的换能器转移阻抗( 将 发射器与接收器的 作用互换而不改变其位置)

24、 。 两者相差不应大于士l o %e 6 , 2 . 3 . 3 换能器的有效半径 a应在换能元件实际半径的 9 5 %到 1 0 2 %之间， 测定 a , 的方法参见 YY/ T 0 1 6 3 -2 0 0 5 附录 A, 6 . 2 . 4 反射器 反射器用一个可以容纳整个超声束的有足够大的直径( 8 倍 a , ) 的不锈钢圆盘构成。其厚度应使其 反面第一反射波不与直接从前表面的反射波相干涉。 前表面平直到1 0 p m， 表面光洁度优于士5 gy m , 6 . 25 试验水摘 试验水槽应足够大， 足以保证换能器 T与水听器 H间距( d , - d ) 3 蔚牌。 槽壁和水面应离

25、开换能器与水听器一个足够的距离 Z, Z 0 . 5 c 7 - , , r - 二 为最低频率正弦波“ 群” 脉宽。 校准时应使用新蒸馏的或除气水。每隔4 8 h要换水一次。水的除气方法是置于减压到 2 0 0 0 P a 的空气中或加热到8 0 达1 h , 6 . 2 . 6 调整机构 换能器， 水听器和反射器应安装在稳定的， 刚性的并可作适当调整的机构上。水听器和换能器横向 定位精度达到士。 . 1 mm， 绕它们的声中心的独立的定向调整精度为士0 . 0 5 0 , 6 . 3 试验程序 6 . 3 . 1 按图2 所示安排仪器设备， 调整 T与R之间的距离d， 使其满足 1 . 5

26、 5 的条件下， 修正系数 K可按式( 1 1 ) 简化: 二。 J 。 。 丫 k . 1 _ d n “一甘 ” u 。k 一万C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 1 1 ) 式中: G仅为归一化距离 S的函数。用于修正因超声束传播过程中发生衍射效应 ， 而不是无 限平面波所引起接收 信号的改变。 这些效应表示实际系统从在J ， 的 推导中 假定平面 波条件的偏差。 J p G : 可看作互易常数。图3 中 示出作为s 的函数的G 。 值的曲线。 其中假设 d =d， 则 、 =2 d , l / a二( d . 十d ) 1 / a

27、 i . / / /尸 / / / 尸/ / / / 图 3 超声在纯净的除气水中的声压幅度衰减系数丫 ， 在2 3 时按式( 1 2 ) 计算: a二2 . 2 X 1 0 - a 厂N p / m ( 1 2 ) 式中 : 介一 一频率， Hz . 由于水听器的电负载已规定为 1 MS 2 / / 3 0 p F， 在校准与使用时都相同， 所以取k =1 . 6 . 5校准 的不确定度 本标准推荐的方法和简化的修正因数提供了一个在 0 . 5 MHz -1 0 MHz 频带内校准水听器的方 法， 其电压灵敏度级的综合不确定度小于士1 . 5 d B 。本技术能获得的测量中的统计学不确定度比

28、 士1 . 5 d B小得多。 Y Y/ T 0 1 6 3 -2 0 0 5 附录A ( 资料性附录) 辅助 换能器 的有效半径的估计 辅助换能器的有效半径 a， 是根据换能器工作在连续波条件下， 其声束轴上的声压幅度随距离变化 曲线图， 与理想活塞声源的声场的比较来加以确定的。使用一个灵敏元件直径至少小于辅助换能器直 径 的 11 0 倍 的 未 校 准 水 听 器 ，在 辅 助 换 能 器 的 * 发 音 声 场 的 声 轴 上 ， 在 离 换 能 器 ， . 5 Z 至 3 Z m 的 范 围 选 取 n ( n 6 ) 个位置， 测定 Z ， 处水听器产生的信号电压幅度 U氏 为换能器声轴上离开换能器表面最 远 的声压最大值位置 的距离 。 令Y; ( Z)= 2 0 1 o H o U Y ; ( Z ; ) =2 0 1 o g , o 2I s in 于 ( ( Z + a , ) ,/ 一 Z I e a 7 X ( Z m 一 Y m ( Z . 一 Y . ( Z . 一 I n 客 Y , ( Z 一 粤 Y , ( Z ) I 选取不同的a值， 代人上式计算X彩Z 沪， 直到满足 X 彩几 ) 镇0 . 5 d B时， 所代人的a值， 可取为 辅助换能器 的有效 半径。