ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ
СОЮЗА ССР
ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
ХАРАКТЕРИСТИКИ И ГРАДУИРОВКА
ГИДРОФОНОВ ДЛЯ РАБОТЫ В ЧАСТОТНОМ
ДИАПАЗОНЕ от 0,5 до 15 МГц
ГОСТ 8.555-91
(МЭК 866-87)
Издание официальное
КОМИТЕТ СТАНДАРТИЗАЦИИ И МЕТРОЛОГИИ СССР
Москва
УДК 681.883 : 006.354 Группа Т88.9
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР
Государственная система обеспечения
единства измерений
Х
ГОСТ
8.555—91
(МЭК 866—87)
Characteristics and calibration of
hydrophones for operation in the
frequency range 0.5 MHz to 15 MHz
ОКСТУ 6329
Дата введения 01.07.92
ОБЛАСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ
Настоящий стандарт распространяется на гидрофоны, в которых применяются пьезоэлектрические чувствительные элементы, предназначенные для измерения параметров импульсных и непрерывных ультразвуковых полей, генерируемых ультразвуковым медицинским оборудованием в частотном диапазоне от 0,5 до 15 МГц.
Стандарт устанавливает требования к конструкции и исполнению стандартных гидрофонов, а также значениям, необходимым для определения их рабочих характеристик, и определяет стандартный метод измерения чувствительности таких гидрофонов.
Стандарт не распространяется на гидрофоны, изготовленные исключительно для обнаружения ультразвуковых импульсов или бурстов (тоновых посылок).
Издание официальное
I© Издательство стандартов, 1992 Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен без разрешения Госстандарта СССРЗАДАЧИ
Определить рабочие характеристики гидрофонов.
Разработать схему определения параметров гидрофонов.
Описать процедуру градуировки гидрофонов.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Свободное поле — звуковое поле в однородной и изотропной среде, в которой влияние границ пренебрежимо мало.
Дальнее поле — звуковое поле на таком расстоянии от источника, где мгновенные значения звукового давления и колебательной скорости практически совпадают по фазе.
Примечание. В дальнем поле звуковое давление создается сферически- ' ми волнами, расходящимися от точки, находящейся на излучающей поверхности или вблизи нее. Таким образом, давление, создаваемое источником звука, обратно пропорционально расстоянию от источника.
Акустический центр — точка на преобразователе или вблизи него, на достаточном удалении от которой излучаемые преобразователем сферические ’звуковые волны кажутся исходящими из этой точки.
Гидрофон (или приемник) —преобразователь, на выходе которого возникает электрический сигнал под действием распространяющихся в воде акустических, сигналов.
Примечание. Гидрофоны, используемые для измерения высокочастотных ультразвуковых полей, состоят из тонкого пьезоэлектрического элемента, который монтируют на конце иглоподобного датчика. Активный элемент обычно не превышает 1,0 мм в диаметре. Этот тип гидрофона, определяемый термином «нидрофон», рассматривается в настоящем стандарте. Если же возникает необходимость сказать о более крупном преобразователе, используемом в качестве гидрофона, то в этих случаях применяется и термин «приемник».
Обратимый преобразователь — преобразователь, который может работать в качестве гидрофона или излучателя; последний представляет собой устройство, которое преобразует электрические сигналы в звуковые. і
Взаимный преобразователь — линейный, пассивный и обратимый преобразователь.
Напряжение холостого хода гидрофона — напряжение, которое появляется на выходе гидрофона при отсутствии тока через выводы.
Обозначение: U, единица измерения: вольт, В.
Примечание, В настоящем стандарте все значения напряжений, токов и звуковых давлений (fee л и это специально не оговорено) представлены в виде средних квадратических значений.
Чувствительность гидрофона в свободном поле — отношение напряжения холостого хода гидрофона к звуковому давлению- в месте расположения акустического центра гидрофона в невозмущенном свободном поле плоской волны, которое существовало бы в отсутствии гидрофона.
Обозначение: М, единица измерения: вольт на паскаль, В/Па.
Примечание. Давление может быть или синусоидальным, или шумовым, отфильтрованным в узкой полосе среднего геометрического между границами частотной полосы, рассматриваемой как данная частота. Частота и условия на выходе, к которым относится чувствительность, должны быть определены.
Уровень чувствительности в свободном поле — двадцатикратный десятичный логарифм отношения чувствительности в свободном поле М к опорному значению чувствительности Мref . Единица измерения: децибел, дБ.
Примечание. М ref — 1 В/мкПа.
Передаточная характеристика по току излучателя на данной частоте — это отношение акустического давления в звуковой волне, в определенной точке, при отсутствии явлений интерференции, к току на входе.
Обозначение: S, единица измерения: паскаль на ампер, Па/А.
Коэффициент взаимности J — отношение чувствительности преобразователя в свободном поле к его передаточной характеристике по току S для любой системы, в которой взаимный преобразователь действует как излучатель и приемник.
Если распространяющиеся звуковые волны аппроксимируются плоскими волнами, коэффициент взаим,ности принимает значение 2А/рс и является коэффициентом взаимности для плоской волны. Обозначение: J, единица измерения: ватт на паскаль в квадрате, Вт/Па2.
Примечание. Коэффициент взаимности‘для плоской волны применяется к распространенйю плоской волны, реализуемой в дальнем поле преобразователя, но чистые условия дальнего поля не используются при калибровке по п. 7.3.6. Вследствие этого введен поправочный коэффициент (см. п. 7.2.3), который включает допуски для отклонений от условий плоской волны.
Диаграмма направленности гидрофона—обычно представляемая графически зависимость чувствительности гидрофона'от направления распространения плоской звуковой волны в заданной плоскости, проходящей через акустический центр преобразователя, и на данной частоте.
Сопротивление утечки на конце кабеля — отношение напряжения на выводах кабеля гидрофона к постоянному току, проходящему через них.
Обозначение: Rl , единица измерения: Ом.
Механическая добротность (Q) элемента гидрофона ■— отношение резонансной частоты к ширине полосы между двумя частотами, при которых полный импеданс излучения гидрофона равен 1/ К 2 импеданса на резонансе, как показано на черт. 1.Определение механической добротности Q активного элемента по значению измеренного электрического импеданса гидрофона
|г| — электрический импеданс гидрофо- на; f — частота
Черт. 1
ОБЩАЯ ЧАСТЬ
Настоящий стандарт определяет условия измерения высокочастотных ультразвуковых полей в жидкостях, в частности, измерения пространственного и временного распределений давления в полях, излучаемых медицинскими ультразвуковыми преобразователями в частотном диапазоне от 0,5 до 15 МГц.
Выбор метода измерения
Известные и описанные физические методы для количественной оценки полей, генерируемых высокочастотными преобразователями, используемыми в медицинском ультразвуковом оборудовании, применяются для измерений в ультразвуковых полях, излучаемых преобразователями в наполненных водой измерительных бассейнах. Такие методы обеспечивают измерения абсолютных значений локальных или пространственно усредненных определенных параметров ультразвукового поля (например интенсивности, колебательной скорости или амплитуды давления).
Эти методы позволяют проводить измерения в основных единицах физических величин, таких как масса, время и длина. Эти методы также включают измерение силы акустического излучения, использование определенных акустооптических эффектов, калориметрии и измерение посредством методов вз’аимности. Для полной количественной оценки ультразвукового поля необходимо проводить измерения с достаточной разрешающей способностью как во временной, так и в пространственной областях с тем, чтобы получить точную и детальную структуру описываемого поля. Для полей с частотными компонентами до 15 МГц требуемые пространственная и временная разрешающие способности имеют’ порядок значений 0,1 мм и 0,06 мкс соответственно.
О с н о в ы рекомендаций^
Настоящий стандарт рекомендует количественно определять, медицинские ультразвуковые поля при помощи гидрофонов, которые позволяют измерять мгновенное акустическое давление в любой точке поля. В настоящее время такие гидрофоны обеспечивают наиболее удобный и универсальный метод описания пространственного и временного поведения ультразвуковых полей и позволяют наиболее точно и полно определять параметры поля.
Влияние конечного размера гидрофона
Активный элемент гидрофона генерирует напряжение на своих электродах, пропорционально среднему акустическому давлению, воздействующему на его поверхность. Если требуется получить хорошее пространственное разрешение, необходимо, чтобы зонд был мал по сравнению со шкалой пространственных изменений давления и небольшим по сравнению с длиной волны наивысшей компоненты частоты в измеряемом ультразвуковом поле. Действующее на чувствительной поверхности гидрофона акустическое давление искажается дифракцией на самом гидрофоне.
Примечание. Если зонд сконструирован таким образом, что достаточно хорошо определены размеры его активного элемента, можно устранить зависимость от эффектов усреднения и дифракции зонда при определенной длине: волны путем деконволюции (обратной свертки), основанной на известных размерах активного элемента. Метод обратной свертки особенно важен в верхней; части частотного диапазона, о котором говорится в настоящем стандарте, где акустическая длина волны в воде (0,1 мм при 15 МГц) скорее всего мала пев сравнению с размерами элемента гидрофона.
Градуировка гидрофона
Для количественного измерения гидрофоны необходимо градуировать или путем определения их выходного напряжения при помещении их в известное акустическое поле, или методом взаимности. Метод градуировки, предлагаемый в настоящем стандарте,, заключается в том, что гидрофоны помещают в известное акустическое поле, создаваемое вспомогательным преобразователем, отградуированным методом самовзаимности.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИДРОФОНА
Гидрофон характеризуется чувствительностью по напряжению» в свободном поле и характеристикой направленности. Оба этих параметра изменяются с изменением частоты. Так как гидрофон используется для многих различных по типу измерений, нет необходимости полностью определять их рабочие характеристики для каждого стандартного устройства. Тем не менее два класса гидрофонов, которые применяются в целях стандартизованных измерений, должны быть определены. Эти классы, как указано ниже, различаются по их основному назначению.
Класс А включает отградуированные точные гидрофоны, необходимые для полной количественной оценки ультразвуковых полей с частотными составляющими до 15 МГц. Они предназначаются для обеспечения средств измерения мгновенного акустического давления в любой точке, включая и те, которые располагаются в (или около) фокальной области медицинских преобразователей большинства типов.
Класс В включает ординарные измерительные гидрофоны, применяемые для относительных измерений, например, для определения пространственных характеристик поля.
Для адекватного определения и контроля рабочих параметров .должны выполняться определенные требования в отношении электрической и механической конструкции гидрофонов. Стандартные требования к параметрам конструкции, необходимые для двух отдельных классов, определены в пп. 5.1—5.4.
Примечание. Первоначально могут возникнуть значительные трудности при изготовлении гидрофонов в соответствии с требованиями стандарта, предъявляемыми к рабочим характеристикам гидрофонов класса А. Тем- не менее, ■разработка гидрофонов, соответствующих этому стандарту, необходима в ближайшее время. Изготовителям гидрофонов класса В следует определять те характеристики изделий, которые соответствуют стандарту для* класса А.
Чувствительность
Образцовый гидрофон должен соответствовать следующим характеристикам в отношении чувствительности в свободном поле м.
Уровень чувствительности
Уровень чувствительности гидрофонов классов А и В должен <5ыть достаточным для измерения акустического давления, равного 3- 103 Па и выше, с отношением сигнал/шум не менее 6 дБ.
Примечание. На уровень чувствительности гидрофона в свободном поле влияют: размеры активного элемента, тип и длина соединительного кабеля, .значение входного импеданса используемых электронных устройств.
Линейность
В динамическом диапазоне от 3- 103 до 3 • 105 Па выходное напряжение гидрофонов классов А и-В должно быть линейным при изменении акустического давления в свободном поле при максимально допустимом отклонении ± 10%. Это условие удовлетворяется, если на графике зависимости выходного напряжения от акустического давления в свободном поле прямая линия, проходящая через точку со значением напряжения, соответствующим давлению 3 • 104 Па, не отличается от измеренных значений более, чем
