基于水聽器法的超聲換能器聲場特性校準技術的研究

林喜鑒

摘要：文中主要針對基于水聽器法超聲換能器聲場特性參數校準進行研究，包括超聲換能器聲場特性校準裝置的系統組成和技術指標、聲場特性參數校準方法;對超聲換能器聲場特性參數進行實驗研究，并對實驗結果和理論結果進行比較分析。以驗證文中提出的系統和方法的可實現性和可靠性，為計量行業研究人員對超聲換能器聲場特性參數的實現提供參考。

關鍵詞：超聲換能器;聲場特性;水聽器;校準

Research on Calibration Technology of The Acoustic Field Characteristic of Ultrasonic Transducer Based on Hydrophone Method

LIN Xi-Jian

（Fujian Metrology Institute， Fuzhou 350003， Fujian， China）

Abstract： This article mainly focuses on the calibration of acoustic field characteristic parameters of the ultrasonic transducer based on the hydrophone method， including the system composition and technical indicators of ultrasonic transducer acoustic field characteristic calibration device， and the calibration method of acoustic field characteristic parameters; the acoustic field characteristic parameters of ultrasonic transducer are studied experimentally， and the experimental results are compared with the theoretical results. In order to verify the feasibility and reliability of the system and method proposed in this paper， it provides a reference for the measurement industry researchers to realize the acoustic field characteristic parameters of the ultrasonic transducer.

Key Words： Ultrasonic transducer; Acoustic field characteristics; Hydrophone; Calibration

1 概述

超聲無損檢測是無損檢測領域重要的技術之一，而換能器作為超聲檢測中的關鍵部件，廣泛應用于工業檢測和醫用超聲成像領域。其性能好壞直接關系到超聲應用技術的效果和使用范圍，特別是聲場特性參數，對超聲無損檢測的檢測范圍、缺陷檢出率和缺陷評價準確性都有很大的影響，實現對超聲換能器的聲場特性參數準確測量進行深入研究是十分有價值的[1]。

在計量領域中，依據JJF 1294-2011《超聲探傷儀換能器校準規范》、JJF 1650-2017《超聲探傷儀換能器聲場特性校準規范》開展超聲換能器的校準。其中JJF 1294-2011是通過標準試塊耦合換能器向其材料內部發射超聲波，該波在標準試塊中傳播并再次被耦合換能器檢測到以用于評價換能器相關特性參數;JJF 1650-2017是基于水聽器法測量超聲信號和掃描聲場獲取聲場特性參數，水聽器法作為目前超聲聲場中聲壓測量的推薦法則，其優點是測量結果直觀，能完整反映聲波波形的圖形，是各領域換能器聲學特性參數校準的標準。

文中主要針對基于水聽器法超聲換能器聲場特性參數校準進行研究，包括超聲換能器聲場特性校準裝置的設備組成和技術指標、聲場特性參數（包括焦距、焦區尺寸、聲束擴散角等參數）校準方法;進行聲場特性參數的實驗測量，并進一步討論實驗數據[2]。

2 超聲換能器聲場特性校準裝置

依據JJF 1650-2017《超聲探傷儀換能器聲場特性校準規范》6.2 測量標準及其他設備和7.2 校準方法，可知超聲換能器聲場特性校準系統主要由超聲聲場掃描定位裝置、超聲脈沖激勵裝置、信號采集裝置，其校準系統結構示意如圖1所示。

2.1 超聲聲場掃描定位裝置

超聲聲場掃描定位裝置是整個校準系統的基礎，主要包括水槽、兩個五自由度運動機構、兩只支架等。

（1）水槽

其中，水槽內凈尺寸需滿足超聲聲場掃描空間范圍，其技術參數建議如下：

① 內凈尺寸：120cm×67cm×75cm;

② 材料選用亞克力板，厚度不小于10cm;

③ 水槽底部預留排水孔和開關閥;

④ 水槽周邊和底部用鋁合金型材框邊;

⑤ 型材底座帶滑輪和可伸縮支撐柱。

（2）五自由度運動機構

JJF 1650-2017規定應具備最少兩個夾持調節機構用于夾持及調節超聲換能器的位置和姿態，故建議配備兩套五自由度運動機構，其中一套是手動五自由度運動機構，用于夾持被測換能器;另一套是電動五自由度運動機構，用于夾持水聽器并支持空間全自動掃描定位功能。其技術指標和功能如表1所示。

（3）支架

兩只支架分別用于夾持被測超聲換能器和標準水聽器，其中，一只用于手動五自由度運動機構調節被測換能器的位置和姿態;另一只用于電動五自由度運動機構調節標準水聽器的位置和姿態。

2.2 超聲脈沖激勵裝置

超聲脈沖激勵裝置用于激勵被測超聲換能器發射超聲信號，可選用信號發生器33622A/功率放大器AG1020方案。

（1）信號發生器33622A，技術特征如下：

① 波形：正弦波、脈沖、方波等;

② 工作模式：連續、調制、頻率掃描、猝發;

③脈沖輸出頻率范圍：1uHz至50MHz（Vout≤10Vpp）。

（2）功率放大器AG1020，技術特征如下：

① 輸出功率：200w;

② 工作頻率：10kHz～20MHz。

2.3 信號采集裝置

信號采集裝置用于采集被測超聲換能器發射超聲信號，可選用英國PA針式水聽器聲壓測試系統，系統由針式水聽器、前置放大器/輔助放大器和示波器組成。

（1）水聽器NH1000

水聽器是把水下聲壓信號轉換為電信號的換能器，最大的優點是體積小，不會對聲場造成過大干擾，同時靈敏度較高[3]。選用的NH1000針式水聽器技術參數如表2所示。

（2）前置放大器HP50/輔助放大器SC50

由于水聽器的輸出信號非常微弱，因此在將其輸入采集和顯示系統之前，通常還需要前置放大器，用于放大水聽器接收到的信號。輔助放大器用于進一步放大水聽器接收到的信號。

前置放大器HP50和輔助放大器SC50主要技術參數如表3所示。

（3）示波器MDO4024C

示波器選用美國泰克科技MDO4024C，其主要性能指標如下：

① 輸入通道數：4;

② 模擬帶寬：1GHz;

③ 最大模擬采樣率：5GS/s。

3 測量實驗

3.1 實驗方案

本次選用美國Panametrics公司生產的V326-SU型號的聚焦超聲換能器進行聲場特性參數（包括焦距、聲束直徑、聲束擴散角、場深等參數）的測量實驗，實驗依據JJF 1650-2017《超聲探傷儀換能器聲場特性校準規范》7.1 校準項目和7.2 校準方法。

3.2 實驗方法

（1）標準水聽器和被測超聲換能器的安裝

① 由于水聽器針尖的薄膜非常脆弱，因此使用水聽器探頭時一定不能用手或其他物體觸碰針尖，使用蒸餾水輕輕清洗即可。

② 將標準水聽器安裝固定于電動五自由度運動機構的夾持支架上，并注意水聽器的連接線，不要纏繞在運動機構上。

③ 將被測超聲換能器安裝固定于手動五自由度運動機構的夾持支架上，并注意被測超聲探頭的連接線，不要纏繞在運動機構上。

④ 標準水聽器和被測超聲換能器安裝固定后，可分別通過驅動手動五自由度運動機構、電動五自由度運動機構調節被測超聲換能器、標準水聽器的位置和姿態。請盡量保持被測超聲探頭表面與水聽器垂直，使被測超聲探頭和標準水聽器的軸線位于水槽中心的同一直線上。

（2）系統的連接調試

① 將被測超聲換能器連接功率放大器和信號發生器，設置信號發生器工作頻率為被測換能器的標稱頻率2.25MHz，并置于猝發音輸出模式，脈沖激勵波形周期數設置為10個，使得水聽器輸出達到穩態為準。

② 將標準水聽器連接前置放大器和示波器，通過電動五自由度運動機構帶動水聽器以步進距離0.2mm，運行速度10mm/s進行若干平面的掃描，即可得到聲場特性參數。

3.3 實驗結果與分析

表4是對 V325 理論計算和實際測量的聲場特性參數測量結果。通過對比實際測量結果和理論結果發現，實際測量的聲場與仿真結果基本吻合，聲場特性參數測量結果在合理的范圍內。證明系統可以測量聚焦換能器聲場，并且測量結果比較準確。

4 結語

文中主要研究了基于水聽器法超聲換能器聲場特性參數的校準，詳細論述了超聲換能器聲場特性校準裝置的儀器組成和技術指標;對V326-SU型號的聚焦超聲換能器進行實驗研究，并對實驗結果和理論結果進行比較分析，以驗證文中所提出的裝置和校準方法的可行性和可靠性，可用于開展超聲換能器聲場特性校準參數的校準。

參考文獻

[1]呂云飛.電容式微機械超聲換能器建模與仿真技術研究[D].太原：中北大學，2018.

[2]馮延強.超聲聲場參數測量系統的研究[D].北京：北京化工大學，2012.

[3]佟帥.超聲波防垢除垢機理及提高效率的方法研究[D].大連：大連理工大學，2008.