【国家标准(GB)】 声学 聚焦超声换能器发射场特性的定义与测量方法

ICS 17. 140
中华人民共和国国家标准
GB/T20249--2006/IEC61828:2001声学
聚焦超声换能器发射场
特性的定义与测量方法
AcousticsDefinitions and measurement methods forthe transmitted fields of focusing ultrasonic transducers(IFC 61828:2001,UltrasonicsFocusing transducers-Definitions and measuremenl methods for the transmitted fields,IDT)2006-05-08发布
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员亻
2006-11-01实施
061205000042
１范围
规范性引用文件
概述…
聚焦换能器
3.2系统与测量要求
聚焦声场概述
4聚焦定义
背景资料
5　衍号表
6测量步骤
6.1　概述·　
6.2确定声束轴
6.3确定换能器是否聚焦…．
6.1测量案焦换能器的其他聚焦参数目
附录A（资料性附录）关于聚焦换能器发射特性的背景资料附录B(资料性附录）确定规则声束束轴的方法+
附录C（资料性附录）确定不规则声束束轴的方法参考文献
TTKANiKAa
GB/T20249—2006/IEC 61828:200114
......
本标准等同采用IEC61828：2001《超声irKANiKAca-
GB/T20249--2006/IEC61828:2001发射场的定义与测方法”。为与已有国聚焦换能器
家标准相配合，在定义中增加了“声压黛域长度”和“压焦域体积\两条本标准的附录 A.,附录 B和附录 C 均为资料性附录。本标推山中国科学院提出。
本标准由全国声学标准化技术委员会（SAC/TC17)归门。本标准起草单位：中国科学院声学研究所，上海交通大学。本标谁主要起草人：牛凤岐.米承纲、程洋、存文德GB/T20249--2006/IEC61828:2001引言
在医学应用中，为了获得悔分辨力图像和多普勤血流数据以旧于诊断·或为了将超南能量集中于所希望的部位以进行治疗，必须采用聚焦换能器。然而.当就多种多样的换能器和各种类型的换能器阵列的聚焦特性进行精推的交流时，现有关丁聚焦换能器的术期不够用。本标准给出的术语可分为两部分。一·部分适合于己知其特性的换能器，且这些特性是设计所赋子的、月士从理论上述其聚焦声场。另部分适合于不知其声场特性的换能器,用通过测景确定其聚焦特性
本标准中给山的测量方法和定义，有些忌针对描述声场聚焦特性的方式，有些是用丁确定换能器是否聚焦的判据。此外，还给山了儿种适用于聚焦换能器的束轴准点方法。1范围
iiKANiKAca
GB/T202492006/IEC61828:2001
声学聚焦超声换能器发射场特性的定义与测量方法本标推提供了医用聚焦超声换能器发射场特性的定义·并将这些定义与聚焦超产换能器发射场的理论描述，工程设计及测量联系起米，本标推给出了所定义的聚焦超声换能器特一的量防法。本标推规定了适用于聚焦超声换能器的声束轴准直方法，本标准适用于工作频率在.5MHz至40初Hz范科内，用于医学临床治疗和诊断的聚焦超声换能器。本标准说明了，在事先不了解某特定装置的结构细节时，如何测量，以及从设计观点妇何描述换能器发射场的特性。对于以规定减励方式产生的辐射超声场，采用水断器在标准测试媒质（如水）或给定媒质中进行测量。本标准仅适用于其中的声场特性与流体中情况实质上相似剪切波和弹性各向异性的影响极小）的媒质，包括赖组织和伤组织凝胶，影响其理论描述或在设计中复要的所有声场特征均应包括在内。在学交流、系统设计以及对采用这些器件的系统性能和安全进行猫述时，这些定义是很有用处的。
为便于定义裹焦特性并为这些特性的测最提供依据，本标准还从其他相关标准中搞选了一些定义，并提供了新的，更专用的术语。9
规范性引用女件
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H期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括读的内容）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木。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。GB1C84G—19医用超声诊断设备声输出公布要求（idtIFC61157:1992）IEC60050（8010194国际电工词汇（IVE）第801章：声学与电声学IEC61102：1980A5MHz至15MHz频率范围内采用水听器法的超声场测量与表征IEC61689：19965MHz至5MHz频率范围内超声理疗设备的性能要求与测量方法3概述
本章中包含的资料是第章所列定义和第6章所述测量方法的引言。3.1聚焦换能器
术语“聚焦换能器”通常用于指这样一类器件，在其声场的某些呕间内，声束宽度窄于“非聚焦换能器”。但“非聚焦换能器”仍可具有自然焦点·故必须从“聚焦换能器”比“非聚焦换能器”在其自然焦点处的声压分布更为密集(对于给定的功率输出)这一符征予以辨别。例如，-个用均勾极化的压电陶瓷单个圆片制成的非聚焦换能器·其声束白然焦点处的声强可以高达声源处平均声强的4倍，而该处的-6dB宋宽近似为声源处的-·半。为将聚焦和非焦换能器作定量区分，4.2、33中给出了聚焦换能幕的定义。
3.1.1聚焦方法
使一超声换能器聚焦的最简单办法借助类似的光学原理，就是将其做成凹面形状或者加装一个物理透镜，如图1中所示。该图新示是一曲率半径为，在其曲率中心聚焦的换能器，其中R按慢例取正值。按照儿何光学近似，焦距F等于R，故也是正值。阁1b)所示是装有平凹透镜的换能器，该透镜用纵波声速为（L的材料制成，其一侧呈半径为尺Ns的曲面，声波经该表面问声速为w的媒质中辐1
GB/T20249—2006/IEC61828:2001射。在声学中，正常情况下cw成小于c即折射指数（n\tw/.)小于1。当满足这要求时，半径Rr取负值，而按照几何声学近似给出的焦距REs/（-1)则为正值。为比较起见：图二)给出」如光学中常见的平凸透镜时的情况,其中n人于1,曲率半径取正值·故焦距亦为正估。3.1.2已知型和未知型聚焦换能器对于医学超声领域月前所用的超产换能器，仅凭外形规察很雄确定其是否为聚焦型，原因是还有许多不同于前面所述的聚焦方法，比如通过几何圳工成形和排列、圳装反射体、采用电子相控和延迟，非迟耳透镜，遮蔽欲皮术的库刻，均可单独惑组合运用。出于固有的白然聚焦和所采用的附加聚焦于段的活在复杂，有美聚焦换能器哟任何·个通用定文都必须依拍其声场而非结构给出，媚果某·聚焦声源是依据其声压场定义的，就比较容易在实践中成用，原国是声压可用水听器直接测量，作已知其结构的换能器和对其知之甚少的换能器之间地应加以区别。对前一类-诸如儿何焦距等某些理论定义均叫用于其聚焦特性的捕述和建模。而对属于后一类的超声换能器·其特性就像是未知的“黑匣子”，能够「解到的只有其声场在后一种情况下一般山测量结果确定其紧焦参数，第6章所述测量步骤适合于这一口的。第6 育中还给出了一些測量力法，而以确定在指定激励条件下向末知传播媒质中辐射的换能器系统是否为紧焦型。在对声换能器的结树缺乏了解，且刘其声场接触不多的情况下,就需要采而如图2中所示的聚焦定义，这些定将在第4竞给出，其成用将在3.1.5巾解释。3.1.3聚焦与束宽
以往，对声束特性的水听器法测量部足在轴问峰值声压区域迹行，例，关于“焦深\的定义，就是依帮声束轴线上轴向峰值在断换能器近、远两侧声强的下降情说。对于轴向对称的声束，可将该轴间峰值与儿何焦联系起求。对典型的矩形阵，在方位平面中采用电子聚焦法和作俯仰平面中采用机械透镜聚焦法，均可在沿声束轴线的不同位置上产生轴向声压峰值：对客单个峰活，可以通过在相励正变平面内测量束宽分别处理，故有些新是义是依据指定织平内的史宽（参见图7)得出的。此外，聚焦定义还必须区分白然聚焦和人为聚焦。3.1.4新聚焦参数的定义
本标准引人了些新的聚焦参数，赋了现有术语以更专业的含义，例如，“近场”和“远场\两个术讲，传统上儿足就非聚焦换能器定义的，却时常被误用于聚焦换能器。其实近菲淳耳区远菲涅耳区和聚焦大朗和费区才活用于聚焦换能器。图3h)中度示了这些定义（3.3中有详细解释.其推导见附求A），它们适用于图4中阅孔径强聚焦的情况，刃外些概您·诸如在特定平而中聚焦之类，在使用时办须减少混淆。
准本标巾，刘聚焦换能器将采用下列定义：对于结药巴知的换能器（见阁），聚整焦换能器是指这样-类电声器件：它们能够在白换能器礼择起算的小于过渡距离之半的任意距离处·在纵平面小产生个一6dB的束觉，其宽度小于该平面中换能器孔径宽度的一平：出于测的需要，以及对于儿何结剂未知的超市换能器.或不便直接接触（因与耦台衬型装配成一体的超声换能器这样两种情况（见图2），依挑数据定义聚焦更为恰当，对于第一种情况，聚焦换能器是指这样一类电器件：它们能够在自源孔径算起的小于过渡距离一半的征意距离处在纵平面中产生一个一d13的束宽,其宽度小丁该平中的一20dB源孔径宽度（在尽可能接近妞芦换能器的平面中测最?的一半。刘于H有矩形几何结构的换能器阵，规定织平面是指将声束方向取为z轴时的又或平面，而非聚焦换能器就是达不到「:述规是条件的换能器，3.1.5聚焦定义的应用
3.1.4中给出了两个聚焦定义，它们适用于下述两种情况：a）第一个是适合于已知其结构的超声换能器的理想定义,用于其描述、建模或设计；）第一个适用于不知其结构或对其不完伞广解的实际损能器,用于其聚焦特性的测品对于实际测量，不能而第一个定义替代第一个：换能器实际上是否焦必须侬据第二个即关于未2
HiKANiKAca
GB/T20249—2006/IEC61828:2001知结构换能器的定义，并采第6章所述的测量步于以确定。对换能器的了解（第-种情况)有助丁指导测量。如果测量结果达到「第二个定义的要求，则该换能器就是聚焦的，而不管这种聚焦是人为迫战还是偶然产生：
3.1.6本标准中定义与理疗换能器(治疗头)的关系本标准中的聚焦定义与IFC61689:1995 中关于\发散、平行和会聚”声束的界定尤关。市束类型定义依摇的是能单和面积，这两种因素对理疗换能器史为重要。而本标准巾的聚焦定义则是依据一6 dB束宽。这定义叫用以鉴别声场巾最高密集区的存在及其位置。将本标谁中的定义用丁理疗换能器时，可将聚焦现解为具有高声束不均句比的\热斑\换能器。3.2系统与测要求
3.1指出：必须将声辐射装置视为个整体，原四是不川能别其中备组成无件的特性来界定紧焦换能器。对临床超声系统，所采而的各个聚焦定义仅适用丁在给定电条件下产生的一定扫描线的市场和给定媒质，
3.2.1发射声压波形
在超声换能器的声场中，发射市压波形叫能是多种多样的，做刘这些波形的划分也必须是够宽松，以适应筑带战窄带脉冲.连续波倍号或因非线性传播导致的畸变波形。用于这--原闪，本标谁中均以脉冲声压平方积分（见1FC61102：：99:中3.33）作为声场的量度。对丁线性传播状态下某些类型的波形·还而将脉冲声压平力积分与更为熟悉的出压未语联系起来。例如、刘于线性连续波信号，将脉冲声压平方积分除以周期，其商就是均方根声压平方，在另外-些情况下，当涉及到这些积分的比率时，可以将这些比率视为等效声压平之比。在这类情况下，脉冲声压平方积分的平方根之比就类似于等效声压之比：
3.2.2辐射场
超声换能器的辐射场随其丧宽和所采用的激刷类型异，奶附录A中所述，声来模拟牛常用的模型仪适合于连续波激扇的情况：为模拟超声换能器在脉冲波激励时的情况，激励波彦，超声换能器元件的脉冲响应及边界条件等均须考虑：随着闷儿件引起的卢压脉冲被形带斑的增大，所得到的声场就变得比连续波信号产生的产：场史为平滑，声场除依赖于电激励函数的波形和传婚媒质外.还依赖于輪人电信号的牺度。这一特点源于非线性传播，而非线性传播在木称雅中考虑的这而场中是时堂出现的。这一被称作非线性传播参最的参数（IE61102：1091中3.25)此简已经定义过·但--般说来，只装共值约小于0.2.即可视为线性。3.3聚焦声场概述
4.2引人了一些新术语.以供描述己知构超而换能器所发射的聚焦声场（见图1），其中给出了各定义的主安几何关系。有关这些定义的背原资料参见附录A。对于未知而源的聚焦声场，可以采用台适的聚焦定义（见4,2），通过测量于以捕述。在这种情况下，应尽可能靠近声源处选取测量乎面（源孔径平面），并利用等效声孔径（即该平面上的源孔径）确定声场的有效聚焦特性。当采们绍构已知的超声颜能器聚熊是义时·该超声换能器即被视作其有一整套规定「作状态、传播媒质和偏移迟离的超声换能器系统。对于这类测量，希望却并不要求一定处于学线性状态，仙必领指定非线性传播参量，图2所示是这些测量定义中某儿个之问的关系。3.3.1已知结构换能器声场概述
依垢已知结构案焦换能器的声场，有可能确定出聚焦声场的一般特性：但采用几何光学力法并不能很好地摧述超产波的聚焦其原闪是换能器尺寸达到波长量级耐导致的衍射，市束的白然聚焦是与透镜聚焦或其他聚焦装暨综合用的。其综合作用的效果是：最窄的6 dB束宽--般不出现在聚焦换能器的何焦点·而是在人约距离处该参数与其他尺寸的美系见（1)：F
*+++++( )
GB/T20249—2006/IEC61828:2001式中：
21—过渡区长度，或称白然焦距，单位为米（m）：F儿何焦距(其解释见附录A中或(A.i1c)),单位为米(m)：该式说明：即使在几何焦距大于过渡区长度的情况下，至最小束宽所在位置的距离也不可能超过过渡区长度
聚焦声场和非聚焦声场的特性之间存在差某种近似性，在纵平面中，聚焦声场中某一轴向距离处的声束剖面，与非聚焦声场中某一等效距离2。处(见附录A中推导式(A.8)时所用的近似)呈现的声束剖面形状相似。的计算见式（2）：i1F
（适用于去F时，F为止值）
该式表明：在超声换能器与见何焦点之间的砸离种聚焦换能器（在纵平面中)声场呈现的各声束剂面与同样尺寸非聚焦换能器近场和远场的所有各声束剖面形状非常近。在儿何焦点处，等效距离变成光穷大，式（2)不再成美，策剖面形状与同样尺寸非聚焦换能器远场的相同，与非聚焦换能器的声场相比，聚焦换能器声场的变化因式（2)的折算（scaling）作用而加速，且在靠近儿何焦点的距离处，声束横向宽度变得比非聚焦操能器的更窄过渡距离就是将非聚售换能器的近场和远场划分为两段的那个距离，采用与确定过渡距离时一致的方式，可以找到数个运
渡距离用以对聚焦换能器进行类似描述。如图3b）中所示，可以将聚焦声场划分为三段，即近菲涅尔区聚焦夫朗和费区和远菲涅尔区，与所划三段对应的距离即为近过渡距离文NTD和选过渡距离FT
并有式（3）和式（4）：
关于达些医满岛多信息，可见附录A 中要(A11)。社户
3.3.2扫描平面与声束偏转
除使其聚焦外令声束改变方向（偏转）。这里所指的方向，所对应的是一条扫描线.即超声换能器特定基元组的声束朝，而扫描平面（或丧面）就是包含所有各条超声扫描缓的平面或表面，扫描平面也称方位平面，在绝发多数情况下，俯仰平面与方位平面正交并包含中央拍描线，该扫描线与非偏转产束的方问相对应。
扫描线组成的顿面随戴像整式、超声换能器几何结构和激励方式而异。下面介绍的是几种扫描的
实例，包括扇形（角度扫描载性直线扫描）和二维阵列方式。扇形扫描，即让声束产生角度转其办法可以是让单个换能器沿弧线准机械扫动，也可以是对多个换能器嫩感儿件（超声换能器基光组）进行切换。扫描线构成的顺面呈扇面状，从而形成扇形图像格式。非偏转声束，即人为选定朝止前方传播而无角度偏转的声束，核声束的方问与扇形扫描的中央扫描线相对应。对于超声快能器呈对称结构静带情况，可将非偏转声束选定在超声换能器的对称轴或刘称平面附近。
绒性扫描即对换能器的多个敏感元件（超声换能器基元组）沿阵列表面进行切换（或将单个换能器作机械平移）。当阵列为乎面利直线形式时，各平行扫描线所构成的顿面即形成一矩形图像格式。当采用曲面线阵（凸车)几何形式时，对超声换能器基儿组逃行切换即形成有张角的扫描线和扇形图像格式。在这种情况下，角度偏转是由换能器儿何形状而非电子划换所致。在最普遍情况下，可以将声束偏转和聚焦两种方法同时并用，并加装一固定焦距的物理透镜以使其在俯仰平面内聚焦。对于一维阵，其扫描平面与阵列的形状和几何结构无关，且方位平面与俯仰平面二者重合为一个。利用阵列的对角区段或全部阵元，可以使声束在与换能器孔径成任意角度的方向同时irKANiKAca
GR/T 20249—2006/IEC 61828:2001偏转和聚焦。在最常见的至继成像方法中，是由换能器阵列扫出－·系列平面来填充待成像的空间。在这种情况下，存一扫指平面的位置均随时间而异，且按照定义都有其对应的俯仰平面。正因为每个扫描平面都有一中央扫描线，放常可在超声换能器的对称轴或对称平面附近识别出·中央扫描平面，4聚焦定义
4.1背景资料
以下所列定义大体上可分为一类。第一类是可自接用于声场描述与建模的定义。第二类是与声场测量有关的定义。第二类中有些术讲与第类中的重登。第三类还包括了有关聚焦的通用术语。为避免在使用时混滑，对以前的定义作了修改或使之更为专用。为便于查阅对应的国际标准，4.2中的各条定义仍按英文字母顺序排列。
4.2定义
声脉冲波形acoustiepulsewaveform在声场的指定位置，以是长的时间显示，使得在单个脉冲单个痒发音或连续波的一个周期内能够包含所有有用信息的舒声压的时间波形。注，在其些情况下（如罚精脉冲）有可能出现全脉种列，即其间隔远小于全脉冲重复时间的近乎相连的一列脉冲。4.2.2
环阵annua@ay
输射元件位于同一平面或也面中并呈同心排布，采用电学相位法控制其声束特性的超声换能器基儿组。4.2.3
孔径程差
Goiturepathdifference
对指定纵平
非偏转声束，由指定几何焦点至换能器孔径边缘，和中该焦点至声束轴与换能器孔径平面交点的两生程长度之差（详见图6和附录A）。符号：4：
单位：米（m）
变迹apoditatton
对换能器孔控进行幅度加权或遮蔽4.2.5
算术平均工作频率
arshmetic-mean working frequency声压谱辐度比峰值幅厦低dB的两个频率和的算术平均值。符号：fnwi:
单位：赫兹（Hz）。
轴向场点程差axial ficld-pointpath dirference出位于声束轴上的一指定声场点至换能器孔径边缘，和出该南场点至声束轴与换能器孔径平面交点的两个声程长度之差（见图6)。符号：4\：
单位：米(rn)。
方位轴azimuth axis
由方位平面与源孔径平面（做据测量确定）或与换能器孔径平面（做据设计确定相交形成的轴线（参见图7）
GB/T 20249—2006/IEC 61828 :20014.2.8
方位乎面azimuth plane
扫描型超声换能器的扫描平面和非扫描型超声换能器的主纵平面。注：道常将主纵平面选择为与方位半亩审合。4.2.9
声束横截面积hcam area
在与声束轴垂直的指定平面巾，其脉冲声压平方积分大于该平面中脉冲声压平方积分最大值之指定分数的所有点构成区域的面积，若末规定其位置，则指通过整个声场中空间峰值和时闭峰值声压所在点的平面。
声束横截面积可由几部分组台而成。符号：Ah;
单位：平方米（m\）
声束横徽面积焦平面beam areafocalplan垂直于卢求轴并包含声束模截面积焦点的平面，4.2. 11www.bzxz.net
声束横截面积焦点beam area focus声束轴与一6 dB声宋截面积最小的南束横截面的交点。4.2.12
声束轴beam axis
通过两个平面的脉冲卢床平方积分矩心（或束中心点)的直线。第一个平面位于声压焦平面（即他含脉冲声压平方积分最人的平而)处，或是包含有处于聚焦夫朗和费区的单‘士瓣的平面处。第二个平面的置尽可能远离第一个平面并与之平行.川包含有两条与第一个平面中相同的正交扫描线（轴和轴）
注：木定义适用下聚焦换能器.而ILC:1102:1591中3.5的声束准直轴定义更适用非探焦换能器（见6.2和图2)）4.2.13
声束中心点beam centrepoint
山通过和两个正交平面的束宽中点的两条线相交确定的位置。4.2.14
束宽 heamwidth
与声束轴垂自的指定轴上两点之间的最大横向距离，该两点处的脉冲声压平方积分比声束轴上的该参数最大值低某·指定量值(见图4和图7)。往：常币案宽是按相对于最人值为6 dB、一10 d 和一 dB 规定的。按分贝计算的义是将两个积分之比值的对数强以10。
符号：，5
单位：米（m）。
束宽焦线heamwidtli focal line在指定纵平面中，垂直于卢束轴并通过束觉焦点的直线（参见图7），4.2.16
束宽集点beaniwidth fncus
指定纵平面中束轴上的-点，在该点处，沿垂直于卢束轴方间测得的一6 lB束宽最小。当将二维聚焦运用于不同的纵平面时，两个束宽在一般情况下可能是不树同的（参见图7)。6
东宽中点 beamwidth midpoint
irKANiKAca
GB/T 20249—2006/IEC 61828.2001平面中若干束宽中心所在位置的线性平均。平均的求取应在信号大小所能允许的条件下，在表B.2 中所列的尽可能多样的信号强度下进行(见附录 B中B,2)。4.2.18
宽带信号broadband signal
其-3dB百分比带宽大于25%的信号，此处一3dB百分比带宽二（带宽/算术平均工作频率）×100%。
注：“带宽”的定义见GB16846—1997中3.5，4.2.19
连续波信号continuous-wave signal单色(单频)且未作调幅的信号。4.2.20
曲面线阵（凸阵）curvilineararray(convexarray）由排成一行的超声换能器元件构成的阵列或超声换能器基元组，这些元件安装于弯曲表面上并可能受到电学控制以政变声策的持性和(或)方向。4.2.21
焦深depth of focus
在指定纵平面中的声束轴线上，位十束宽焦点两侧，其所在位置的一6 B束宽增大至焦点处束宽2倍的两点之间的距离。
注：在设计中，若束宽焦点与换能器孔径面之间不存在这样的点，则将最靠近超声换能器的焦深点的位置取为换能器孔径平面。在测量中，若束宽焦点与源孔径平面之间不存在这样的点,则将最靠近超声换能器的焦探点取为源孔径平面（参见图7)。
符号：ADOF;
单位：m米）。
有效聚焦表面effective focusing surface其边缘与换能器孔径重合的等相位表面。注：在阵列情说下，等相位表面就是为产生案焦作用和使扫描线偏转而施加于每阵元的时间激励所形成的表面。4.2.23
有效程长effective path length与(换能器声场巾一指定点与有效聚焦表面上一指定点之间)总声程长度等效的距离。在换能器装有透镜的情况下，穿过透镜的那部分卢程须乘以cw/c之比值，其中.为透镜材料中声速，cw为水（或测量媒质)中声速。
注：在绝人多数情说下,本定义适用于已知其结构的换能器;如不知其结构，则可通过测量上述两点向的延迟时间再乘以水(或其他测量媒质)中卢速求得。另见\4.2.39几何焦点\和\4.2.22有效聚焦表面\两条定义符号:duti
单位：米（m）。
有效波长effectivewavelength
传播媒质中纵波声速除以算术平均工作频率所得之值。符号：：
单位：水（m）。
小提示：此标准内容仅展示完整标准里的部分截取内容，若需要完整标准请到上方自行免费下载完整标准文档。