【医药行业标准(YY)】 医用超声测量水听器特性和校准

中华人民共和国医药行业标准
医用超声测量水听器特性和校准YY/T0163—94
本标准参照采用国际电工委员会IEC866《0.5～15MHz频率范围内工作的水听器特性和校准》。1主题内容与适用范围
1.1本标准规定了0.5~10MHz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主要性能参数、技术要求和校准方法。1.2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成。2引用标准
GB3102.7声学的量和单位
GB3947声学名词术语
GB7966声学0.5～10MHz频率范围内超声声功率的测量ZBC41008医用超声诊断仪的脉冲声强测量方法3术语、符号、代号
3.1术语
3.1.1声中心
acoustic centre
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hydrophone
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。灵敏度元件通常直径小于1mm。本标准中所用的\水听器”一词，即指上述两种微型灵敏元件的水听器。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reversible transducer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reciprocity transducer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 open-circuit voltage at a hydrophone无电流通过状态下水听器的电端出现的电压，符号：U；单位：V。3.1.6水听器自由场（电压）灵敏度free-field sensitivity of a hydrophone水听器输出端开路电压，与声场中引入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/Pa。
注：（）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。②自由场灵敏度常用“级”来表示，单位为分贝，dB。自由场灵敏度级是由自由场灵敏度与其基准值之比值以国家医药管理局1994-05-13批准1994-07-01实施
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10为底的对数乘以20。常用基准值在水中为1V/μPa。3. 1.7发射器的发送电流响应 transmitting response to current of a projector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声波的声压与流过发射器电端的电流的比值。符号：S；单位：Pa/A。3.1.8互易常数 reciprocity coefficient ，reciprocity constant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2A/pc，称为平面波互易常数。式中A为换能器的有效面积，β为传声媒质的密度，c为媒质中的声速。符号：J；单位:W/Pa2。
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。为此提出了个对声场偏离平面波条件作出修正的修正系数。3.1.9水听器的指向性响应directional response ofahydrophone在指定频率下在通过水听器的声中心的指定平面内。水听器响应作为入射声平面波的传播方向的个函数的描述，常用图线表示。3.1.10电缆端漏电阻 end-of-cable leakage resistance水听器电缆未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：Ri；单位：。注：应注明测量R,时所用的电压值。3.1.11水听器元件的机械Q值mechanical Qof hydrophone element共振频率与两个规定的频率间的频带宽度的比值。在这两个频率处水听器的动生阻抗为共振频率处的动生阻抗的1/／2倍。
3.2符号表
Al辅助换能器的有效面积,m2；
水听器的有效半径，m；
辅助换能器的有效半径,m；
必须用来减少参考电压Ure使之等于电压U的因数；au
必须用来减少参考电压Urer使之等于电压U,的因数；aul
为驱动一个流过阻抗R。的电流Ii，而用以减少参考电压Urer的因数；an
水中的声速，m/s;
水听器与反射器间的距离，m；
辅助换能器与反射器间的距离，m；d,
fmax最大测量频率,Hz；
单独用辅助换能器情况下，对衍射损失的修正因数；G
使用辅助换能器和水听器情况下，对衍射损失的修正因数；G2
只有在某些测量条件下可应用的把Gi和Gz结合起来的修正因数；Ge
流过辅助换能器的电流，A；
流过在辅助换能器处引入短路的电流，A；互易常数，W/Pa\；
J，平面波互易常数，{=2A/oc)，W/Pa2；kul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；ku
M水听器的自由场（电压)灵敏度，V/Pa；M*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/Pa；近场距离，（=a/}，m；
声压,Pa；
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辅助换能器发射的平面波声压,Pa；等于精密衰减器的特性阻抗的标准负载阻抗，；R.
水听器电缆末端的漏电阻，2；
在反射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(s一（di十d)入/ai)，m;St
辅助换能器的发射电流响应，Pa/A；S.*
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，Pa/A；水听器的开路电压，V；
辅助换能器的开路电压，V；
Urer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./m；水中的声波长，m；
水的密度，kg/m2。
4产品分类
用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级为已校准的精密水听器，满足10MHz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级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技术要求
5.1灵敏度
5.1.1灵敏度级
Z型A级与B级二者的自由场（电压）灵敏度应足以用高于6dB的信噪声比对3×10°Pa声压进行测量。
M型A级与B级二者的自由场（电压）灵敏度应足以用高于6dB的信噪比对3X10*Pa的声压进行测量。bzxZ.net
5.1.2线性度
对A级与B级二者，要求在3×10°Pa（Z型）或3×10*Pa(M型)至3×105Pa的动态范围内，水听器的输出电压应在士10%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，通常以包含原点至3×10*Pa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士10%。5.1.3频率响应
在0.5~10MHz频率范围内，覆盖至少2.5个倍频程的注明频带内，自由场灵敏度级对A级在土2dB容限内为常数，对B级在容限士4dB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 dB。5.1.4温度稳定性
在16~~30℃温度间，A级水听器的灵敏度级偏离23C时值不应大于±1dB；在30～40C时，灵敏141
度级偏离23℃时的值不大于±2dB。5.1.5时间稳定性
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A级水听器在一年时间内，灵敏度级变化不大于土2dB。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
5.2.16dB波束宽度
在工作频率为3.5MHz处，在过最大灵敏度方向的两个相互垂直的平面内，测得的两个一6dB指向性开角的平均值6dB。
对1mm的灵敏度元件的水听器Z型-6dB>30°；M型6dB6°。对$0.6mm的灵敏元件的水听器Z型9-6dB>40；M型0-6dB10°5.2.2轴偏差
最大灵敏度方向与几何轴之间的偏差<3°5.3电特性
5.3.1在16～40℃之间的某一温度处，灵敏元件的电容量的计算值。5.3.2电缆未端的电容量，电缆长度<1.5m。5.3.3电缆末端的漏电阻>100kQ。5.3.4水听器可作发声器用时，应给出最大的激励电压Upp与占空比D。5.4机械和环境方面
5.4.1敏感材料。
5.4.2敏感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。>2fmax。5.4.4水听器机械Q≤6。
5.4.5外露材料的类型。
5.4.6不相容材料的限制。
5.4.7机械应力方面的限制。
6水听器的校准方法
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；该声场预先用自易法定量标定。在自易校准中，使用单一一频率的正弦波群（猝发音）信号，得到的校准数据仅与个频率相关。因此，必须逐点地获得一个完全的频响曲线。6.1.1用自易法测定辅助换能器的发送电流响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,和自反射器R反射的第一回波信号电压U1，测定假设理想平面波测量条件下它的表观发射电流响应U,
S°= p/I=N,
式中：p1——辅助换能器T发射的平面波声压,Pa；J—平面波互易常数,W/Pa\;
（1）
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A—辅助换能器T表面的有效面积，m\；-传声媒质（水）的密度，kg/m2；传声媒质（水）中的声速，m/s。弊发音信
号发生器
匹配网络
6.1.2用代换法得到自由场电压灵敏度电流探头
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下式给出M
式中：M*UUi、IiJppr
见3.2条。
6.1.3对非平面波条件的修正
·（2)
考虑到换能器的衍射和吸收，以及反射器的声压反射系数等影响,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为M=M*K
K kuGire/( kG2)
式中：M”kui.Gi、r、α、d、ku.G -见3.2条。6.2试验仪器、设备及其要求
6.2.1总的测量装置和条件
（3）
（4）
图2示出实际的相关测量电路。在猝发音信号发生器的激励下。辅助换能器T辐射含有10～20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。143
猝发音信
号发生器
6.2.2测量仪器
6.2.2.1猝发音信号发生器
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匹配网络
衰减器
工作频率：0.5～10MHz连续可调。1
电流探头
终端负
载电阻
最大输出辐度：Uomax>30V(50Q)，f<7MHz。k
Uomax≥20 V( 50 Q ),7 MHz2连续可调。频率计时基频率10MHz，稳定度优于土10-5。U
6.2.2.2精密衰减器输出阻抗R。502或（752），精度0.1dB，频率范围：0~30MHz。6.2.2.3通用示波器，频响至少20MHz，输入阻抗1M230pF。6.2.2.4标准无感电阻R。土1%
6.2.3辅助换能器的要求
承波器
6.2.3.1应有一个直径大于所使用的频率的水中声波长10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入电流之间的比值），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）。两者相差不应大于土10%。6.2.3.3换能器的有效半径α1应在换能元件实际半径95%，102%之间，测定a1的方法参见附录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8α的不锈钢圆盘构成。其厚度应使其反面的第一次反射波不与直接从前表面的反射波相干涉。前反射面平直到10μm，表面光洁度优于士5μm。6.2.5试验水槽
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)≥3ai/入。槽壁和水面应离开换能器与水听器-个足够的距离Z（1/2)cTmx。Tmax为最低频率正弦波“群\脉宽。
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校准时应使用新蒸留的或除气水。每隔48h要换水一次。水的除气方法是置于减压到2000Pa的空气中或加热到80C达1h。
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±0.1mm，绕它们的声中心的独立的定向调整精度为士0.05°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4i，使其满足1. 5 < 2d,A/ai< 3
6.3.2联动开关A置于test位置，开关B置于U.位置，开关C置于U位置。调整T的方位，使从反射器来的第一回波达到最大。通过改变联动开关A的位置，使R。两端的参考电压Ure和U1交替显承在示波器上，调整精密衰减器的衰减量，使二者相等。由衰减器读数α1可求得比值au: - U,/U ret = 10-0 05a
式中auUiUter—见3.2条。
（5）
6.3.3开关C置于I位置，通过改变联动开关A，使1.信号与流径R。的电流1ret=U/R，信号交替显示在示波器上。调整精密衰减器的衰减量，使二者相等。由寒减器读数≥α2可求得比值an I,/Irt 10-0. 052
式中：ae-
见3.2条。
6.3.4移去反射器，调整辅助换能器T与水听器H之间的距离(d,+d)，使之满足1.5(d+d)/a<3
（常取dd）
（6）
6.3.5联动开关置于test位置，开关B置于U位置，开关C置于U位置，再反复调整二者的横向位置和方位，使二者处于声学共轴状态，此时水听器的输出U达到最大值。改变联动开关A的位置，使U信号与U信号交替显示在示波器上，调整精密衰减器，使二者相等，由衰减器的读数3，可求得比值Qu U/Urt - 10-0. 05±3
式中: auU.Uref
-见32条。
6.3.6联动开关置于test位置，开关C置于I位置，反复闭合开关K（短路）和开断开关K（开路），使I信号与1，信号轮流地出现在示波器上。调整精密衰减器，使二者相等。由衰减器的读数α，可求得比值
kur I,/1x 10-0.a5u4
式中：ku11、1—见3.2条。
6.4试验结果的计算
6.4.1水听器表观自由场电压灵敏度Roand
kNkuGir
在满足1.5<2d/a3
1.5<(dt+dg)/ai<3
的条件下
（9）
.（ 10)
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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。的推导中假定平面波条件的偏差。JpG?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=dr,则 s=2d,a/a=(d,十d)>/a1.0
超声在纯净的除气水中的声压蝠度衰减系数α，在23℃时为Q=2.2×10-14f2
式中：f-频率,Hz。
（12）
由于水听器的电负载已规定为1MQ/30Pf,在校准与使用时都相同。所以取ku = 1
6.5校准的不确定度
（13）
本标准推荐的方法和简化的修正因数提供了-个在0.5～10MHz频带内校准水听器的方法，其电压灵敏度级的综合系统不确定度小于士1.5dB。本技术能获得的测量中的统计学不确定度比士1.5dB小得多。
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附录A
辅助换能器的有效半径的估计
（参考件）
辅助换能器的有效半径α1，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倍的未校准水听器，在辅助换能器的猝发音声场的声轴上，在离换能器1.5Z.至3z。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。Z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。
Y:( Z) = 20log1oU;
Y(z.)=20logio[2/sin(Z?+ai)1/2z.)le-H(2)-(2)
Xm(Zm)=Ym(Zm)-Ym(Zm)---
选取不同的a1值，代入上式计算X（Zm），直到满足X（Zm)<0.5dB时，所代入的a1值，可取为辅助换能器的有效半径。
附加说明：
本标准由国家医药管理局提出。本标准由全国医用电器标准化技术委员会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负责起草。本标准主要起草人寿文德。
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