針式水聽器進(jìn)行聲壓測(cè)試

時(shí)間：2020-01-05作者：深圳市一測(cè)醫(yī)療測(cè)試技術(shù)有限公司瀏覽：431

	原理：當(dāng)壓電材料上的壓力 (聲擾動(dòng) )發(fā)生變化時(shí)，壓電材料內(nèi)部的電荷分布就會(huì)成比例地發(fā)生變化并且會(huì)以電壓信號(hào)的形式體現(xiàn)出來，因此可通過壓電元件表面上的電極提取這些電荷，經(jīng)電壓放大器或電荷放大器放大后，由信號(hào)處理示波器顯示出能反映聲波波形的圖像,這樣就以很直接的方法完成了超聲聲場(chǎng)中聲壓的測(cè)量。


	要求：針式水聽器由于直徑很小因而可檢測(cè)測(cè)量點(diǎn)的聲壓，實(shí)際上是針式水聽器直徑尺寸范圍的平均聲壓；原則上針式水聽器的直徑越小越好，至少小于聲場(chǎng)的1個(gè)波長(zhǎng)，如15MHz的聲場(chǎng)，則針式水聽器的直徑要小于0.1mm。針式水聽器是測(cè)量聲場(chǎng)和聲壓的可以選擇換能器（一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量工具），適合連續(xù)波和脈沖波的測(cè)量。針式水聽器針尖上有一層通常為幾個(gè)微米厚的PVDF薄膜，現(xiàn)在可以做到9－28μm的膜厚，這層薄膜就相當(dāng)于一個(gè)高靈敏度的壓電換能器，能將接收到的聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，目前英國(guó)PA公司可做到40μm－4mm，在20K－35MHz頻率范圍針式水聽器具有平坦的測(cè)量特性。


	針式水聽器及其原理圖如下所示：


	



	
	
		事項(xiàng)：由于水聽器針尖的聚偏氟乙烯薄膜非常脆弱，因此使用針式水聽器時(shí)注意不能用手或任何其他物體碰水聽器針尖。清洗水聽器時(shí)，用蒸餾水輕輕沖洗，特殊情況下可以用新鮮檸檬汁處理。
	
	
		優(yōu)點(diǎn)：水聽器體積非常小，不會(huì)對(duì)測(cè)試聲場(chǎng)造成大的干擾，同時(shí)靈敏度高，使用方便，價(jià)格也相對(duì)*。
	
	
		介紹：通常針式水聽器使用時(shí)需要配以水浸式前置放大器，DC耦合器以及水聽器輔助放大器。它們分別介紹如下：
	




	



	
	
		前置放大器（Submersible Preamplifier）的作用是放大水聽器接收到的聲信號(hào)。
	
	
		直流耦合（DC Coupler）的作用是提供直流電壓，驅(qū)動(dòng)前置放大器；以及作為前置放大器和測(cè)量系統(tǒng)之間的聲信號(hào)耦合器。
	
	
		由于水聽器的輸出信號(hào)一般非常微弱，因此在將其輸入采集和顯示系統(tǒng)前，通常還需要經(jīng)過一個(gè)水聽器輔助放大器，進(jìn)一步放大水聽器接收到的聲信號(hào)。
	
	
		使用：PVDF針式水聽器測(cè)試系統(tǒng)如圖所示。用示波器(或高速數(shù)據(jù)采集卡)作為信號(hào)的顯示器和采集器，可以得到聲場(chǎng)中單點(diǎn)的聲壓波形，對(duì)于連續(xù)波*同步信號(hào)檢測(cè)，而對(duì)脈沖波要用同步觸發(fā)檢測(cè)。
	
	
		如果將水聽器夾持在3維機(jī)械運(yùn)動(dòng)（如UMS3）裝置上可以重構(gòu)出換能器的3維的聲場(chǎng)。其中若采用掃描系統(tǒng)移動(dòng)水聽器進(jìn)行掃描，就可以得到一個(gè)截面上的聲壓分布，再由一個(gè)個(gè)截面聲壓構(gòu)成3維聲場(chǎng)分布。
	
	
		使用了兩個(gè)放大器來放大水聽器的信號(hào)，浸入式前置放大器和水聽器輔助放大器，這是因?yàn)樗犉餍盘?hào)通常很微弱，需要進(jìn)行兩級(jí)放大。
	
	
		

	
	
		
		
			計(jì)算：水聽器直接輸出的信號(hào)是電壓信號(hào)，用靈敏度進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，就成為了對(duì)應(yīng)的聲壓信號(hào)。得到電壓-時(shí)間波形后，可以計(jì)算聲強(qiáng)和聲功率?？臻g峰值脈沖平均強(qiáng)度ISPPA的 計(jì)算公式如下所示： 
		
		
			                                    　           
		
		
			其中為水的密度，為水中的聲速，為時(shí)變的聲壓波形，T為波形的周期，為所選波形的整周期數(shù)，為**個(gè)滿幅值周期的延遲時(shí)間，t為時(shí)間。   
		
		
			總結(jié)：PVDF針式水聽器體積非常小，不會(huì)對(duì)測(cè)試聲場(chǎng)造成大的干擾，可以測(cè)量連續(xù)波和脈沖波聲壓，同時(shí)靈敏度高，使用方便；它的缺點(diǎn)是帶寬相對(duì)較窄，頻率響應(yīng)較平坦，能夠測(cè)量的聲壓范圍有限。適用于測(cè)試低聲壓值的聲場(chǎng)。同時(shí)由于水聽器體積小，移動(dòng)方便，可以得到聲場(chǎng)的截面圖和3維聲場(chǎng)分布，也可以應(yīng)用于多種超聲換能器的測(cè)試，如相控陣換能器探頭等。
		


	


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