2011級研究生預答辯報告毫瓦級標準壓電超聲換能器的研制及性能測試論文提綱1緒論2標準超聲換能器工作原理及應用3標準超聲換能器的設計及研制4超聲換能器聲場特性研究實驗5超聲換能器輸出功率標定實驗6結論和展望1緒論選題背景

隨著超聲診斷的快速發展，國內外一些醫學專家研究認為，超聲波檢查并非對人體安全無害，超聲功率過大會對人體細胞產生極度的空化效應。為保證患者生命安全，相關計量檢定規程明確規定，用于檢測各種超聲設備功率的毫瓦級超聲功率計需要定期送到計量檢定部門強制檢定，強檢周期為一年。研究意義毫瓦級超聲功率溯源體系

超聲功率國家基準/副基準省級毫瓦級標準超聲源（本級計量檢定器具）毫瓦級超聲功率計（地市級計量器具）各種醫用超聲設備直接比對直接比對直接比對

本文的研究意義在于從國家計量標準出發，研制穩定度高、具有一定輸出頻率的標準換能器，并通過毫瓦級超聲功率基準標定其輸出功率，完善目前所用的標準超聲源，為超聲功率的量值傳遞提供可靠的依據，為人體安全提供保障。

標準超聲換能器研究現狀20世紀80年代，我國研制出了石英單晶標準超聲換能器；2006年廣東省計量科學研究院自行研發的鈮酸鋰單晶標準換能器作為國家基準，最高頻率可達10MHz，發射功率范圍1～1000mw，功率不確定度U=3%（k=2），代表了國內最高水平。但鈮酸鋰材料在標準超聲換能器的應用，在省級計量部門還未得到普及。國外標準換能器的工作頻率普遍較高，德國聯邦物理技術研究院研制的鈮酸鋰超聲換能器可進一步采用7次倍頻工作，最高頻率達15MHz。

2標準壓電超聲換能器

工作原理及應用壓電效應

機械能電能正壓電效應逆壓電效應壓電超聲換能器諧振特性

電流隨頻率變化特性壓電換能器諧振時等效電路RdLdUCoCd標準壓電超聲換能器在毫瓦級超聲功率計檢定中的應用標準壓電超聲換能器應用功率信號源阻抗匹配器標準超聲換能器毫瓦級超聲功率計功率放大器3標準超聲換能器的設計及研制鈮酸鋰單晶壓電性能Ozxy表示質點運動方向35orotatedy-cutz-cut163orotatedy-cut41ox-cut41o163o35o切割角度振動模式機電耦合系數頻率常數聲阻抗率Y-10°厚度伸縮0.17——Y-35°厚度伸縮0.49370034.8Y-163°厚度剪切0.62228021.4Z厚度伸縮0.17366034.4X厚度剪切0.68240022.3壓電晶片尺寸設計晶片直徑尺寸D（1）設壓電振子厚度為t，直徑為，原則上當時，對Y-35°的壓電晶片施加沿厚度方向的電壓，壓電振子做高純度厚度伸縮運動；（2）受毫瓦級超聲功率基準中反射靶面積大小的限制，一般小于反射靶面積的1/2。綜合以上因素以及晶體的制備成本等，本文選擇壓電振子直徑為25mm。晶片厚度尺寸t壓電晶片電極設計電極設計關鍵因素（1）電極材料的選擇—金（2）電極鍍膜工藝方法選擇—磁控濺射法,厚度為300nm（3）電極外形及尺寸設計—環形電極外殼設計塞子、套筒外形及尺寸外殼形狀及尺寸

換能器裝配流程及工藝特性

（1）電極的焊接。焊接前，應將鈮酸鋰壓電晶片進行加溫一段時間，以免晶片表面與烙鐵溫差過大引起晶片驟裂；焊接時必須控制好溫度，否則容易導致金層電極脫落，影響導電性能。

（2）固定壓電晶片。將已經焊接好電極的鈮酸鋰晶片從外殼頂部小心放置底部，置于最底端的邊沿上面，由于外殼底部孔的直徑小于晶片直徑，與晶片從底端裝配的方式相比，可起到良好的固定作用。（3）負極的連接。將特定尺寸的黃銅圓環置于鈮酸鋰晶片表面，注意圓環應該很好地與環形電極的負極（外側圓環電極）和內壁接觸，且不能與正極接觸，避免短路。（4）固定晶片。將彈簧墊片放在黃銅圓環上方，把帶有外螺紋的圓環沿著外殼頂端的螺紋放入殼內，到達殼底部第二道螺紋位置處，旋轉螺紋直至與晶片上方的圓環緊密接觸。（5）封裝換能器。先通過螺紋將套筒與外殼連接起來，然后從晶片正極引出的導線與BNC焊接起來，將BNC裝入塞子中心位置的圓孔內（螺紋連接），通過四個螺釘固定塞子和套筒。采用螺紋的目的主要是為了避免過盈配合時因為對外殼的加溫處理造成導線熔化和晶片損壞。超聲換能器聲場特性研究實驗測量原理和實驗裝置

水聽器法——用已校準的水聽器接收換能器輻射在水中的聲壓，通過水聽器靈敏度將聲壓信號轉換為電壓信號，對電壓信號進行放大并用示波器采集電壓波形來間接分析聲壓特性，通過處理電壓信號進行聲壓和其他聲場特性的研究。

xzy步進電機消聲水箱手動控制滑塊超聲換能器水聽器連接數字示波器實驗方法二維掃描—確定換能器工作頻率

二維聲場測試實驗通過換能器在水中的輻射聲場測試，獲得時域和頻域的相關波形，綜合考慮換能器的頻率穩定性、聲能量、帶寬等因素，確定換能器的工作頻率。實驗在相同電壓、不同頻率的條件下進行。（1）對頻率進行粗略測試，在4.5～5.5MHz范圍內進行掃描，頻率間隔為0.1MHz，分析每個頻率點水聽器所接收到的電壓波形，初步確定換能器工作頻率范圍，通過中心頻率判斷頻率的穩定性。（2）通過間隔為0.01MHz的精細測試，并在小范圍內觀察其頻譜特性，通過聲能量分布情況確定其工作頻率。

二維頻率測試結果

電壓最小幅值為11.5mV，在4.9MHz時，輸出電壓幅值達到最大，為17.5mV，而在5.1MHz時，電壓幅值達到最小值11.5mV。在5.3MHz處出現了二次電壓峰值13.5mV，但此峰值與4.9MHz處的輸出相比相差很多。頻率間隔為0.01MHz的測試實驗結果，電壓峰值對應4.9MHz，電壓最小幅值對應4.95MHz。若選擇諧振頻率作為工作頻率，則工作頻率在4.9MHz附近，若選擇反諧振頻率為工作頻率，則在4.95MHz附近。

換能器10個頻率點的中心頻率與信號發生器的頻率基本一致，頻率穩定性較好。在4.82~4.86MHz和4.94~5.0MHz兩個頻率區間，中心頻率高于外加頻率，偏離最大點處為外加頻率4.84MHz處，這時中心頻率為4.88MHz。由此可知，在換能器聲壓衰減3dB帶寬范圍內，峰值右半邊較寬，導致中心頻率大于外加頻率。在4.90、4.92MHz兩個頻率點中心頻率低于外加頻率，最大偏離值在4.92MHz處，這時中心頻率為4.89MHz，峰值左側寬度大于右側。在4.84、4.94MHz處，換能器的帶寬比較寬，證明換能器在這兩個頻率點的頻率穩定性較好、能量在帶寬范圍內較集中。二維測試頻譜特性分析結果

在基頻峰值聲壓相同的情況下，4.84MHz時，二次諧波的峰值聲壓占基頻峰值聲壓的三分之一左右，三次諧波的峰值聲壓不到基頻峰值聲壓的三分之一；而4.94MHz時，二次諧波峰值聲壓接近基頻聲壓的三分之一，且出現了干擾較強的三次諧波，峰值聲壓超過了基頻峰值聲壓的二分之一，并且在高頻15MHz附近出現了較強的高次諧波。通過實驗比較，換能器的工作頻率選擇4.84MHz。三維聲場測試三維掃描—研究工作頻率下的聲場空間峰值特性

三維精密自動掃描技術用來測試超聲聲場空間分布特性，通過高精度的步進電機控制三維機械導軌，首先通過z軸掃描確定z軸的峰值（焦距）坐標，然后在垂直于z軸的平面，逐漸掃描x、y軸，最終獲得z軸焦距處所在平面內的聲場空間分布特性。通過三維聲場掃描，在焦距平面通過水聽器的移動采集平面內的聲壓信號，通過換能器空間分布特征，推斷換能器發射表面的性能。

超聲換能器輸出功率標定實驗毫瓦級超聲功率基準裝置1—反饋式自動微量天平；2—信號發生器；3—反射靶支架；4—吸聲橡膠尖劈；5—被測換能器；6—支架和防氣流罩；7—防震裝置；8—吊絲；9—圓柱形消聲水槽

輸出功率標定方法—輻射力天平法

輻射力天平法測量超聲功率是將超聲功率的計量溯源到聲產生的最終源頭—力學。在工作頻率下，改變激勵電壓可產生不同的力，輸出的超聲功率也不同，通過天平砝碼的重量來表征輻射功率的大小。基本原理是將反射靶作為障礙物置于聲場中，超聲換能器向水中的輻射聲壓，產生了作用于反射靶上的力，數值上等于時間平均動量流，并且與超聲強度和功率成正比。在小振幅平面超聲場中，反射靶上受到的力和超聲換能器發射的聲功率之間的關系為

c—超聲在流體中的聲速（m/s）；F—沿超聲波軸線方向作用于靶上的輻射力（N）；—反射靶面法線與入射聲束間的夾角（rad）。實驗條件

實驗準備和要求：實驗前應提前制備好除氣蒸餾水，清潔被測超聲換能器發射面及外殼、反射靶，避免將顆粒雜質等帶入水槽中。由于溫度、氣壓等外在條件會對測量結果產生不同程度的影響，因此要求（1）大氣壓強：（86～106）kPa；（2）實驗室溫度：（22±1）℃；（3）大氣相對濕度：＜85%；（4）靶距應小于近場距離。為保證平面波近似條件的滿足，要求。k為水中的角波數，，為水中的波長；a為輻射面的半徑。測量還應盡量保證自由場條件的滿足，避免駐波的出現，保證靶面的反射波不返回到換能器表面。減小測量誤差的措施（1）天平的讀數除了采取多次測量求平均值的方法外，每一次讀數均采取

這樣可以減少由于溫度、以及外界的振動等因素導致的天平漂移引起的讀數誤差。（2）由于毫瓦級基準裝置的測量精度受工作時間的影響，超聲在水中的輻射時間過長會引起溫升，重復測量時，一次實驗完成10個功率點的一組測量數據，并且盡量縮短每次測量的時間，避免由于測量裝置由于工作時間過長導致的測量誤差。每組實驗數據需在同樣的起始水溫和外界條件下進行。實驗數據處理方法

檢定毫瓦級超聲功率計是依據已知輻射電導的標準超聲換能器，輻射聲導指換能器工作是時輸出功率和電壓平方的比值，即

通過計算出的標準超聲換能器的聲功率與功率計實測值之間的直接比對，通過誤差計算判定功率計是否合格。用已經標定過的標準超聲換能器進行檢定時取1,3,5,7,10,20,50,100,200，300,500mW等功率點來進行檢定，對于未經標定的換能器，為了更準確地評價其性能，實驗時在輻射功率范圍內，得出多組測量數據。同時為了更大限度的減少誤差，進行多組測量。不確定度評定數學模型可推導出

輸出功率不確定度聲速輻射力反射靶夾角人為操作原因重復性（1）由聲速引起的不確定度

整個實驗過程中測得溫度的變化范圍是±3℃，取均勻分布，則

實驗測量溫度為22℃，因此由聲速帶來的不確定度為（2）由輻射力天平引起的不確定度

我國毫瓦級超聲功率基準的精密天平所帶來的不確定度最大不超過1.0%，這里取

（3）由反射靶自身的夾角的加工引起的不確定度

毫瓦級超聲功率基準裝置中的角度準確度為10′，則（4）實驗中人為操作原因引起的不確定度a.由于反射靶的與平面活塞標準壓電超聲換能器發射聲束偏離引起的不確定度。將由于實驗中未對準情況下反射靶所受到的力分解，則垂直方向上的分力為，則實際功率與測量功率的誤差為

反射靶與壓電換能器中心未平行的角度偏差不超過3°，則由這種微量的分力引起的相對不確定度b.由反射靶的不垂直引起的不確定度實驗過程中發射靶不完全垂直，法線與垂直方向會有偏差，反射靶法線與垂直方向的角度偏差最大1°，取均勻分布得，（5）重復性引起的不確定度功率點123456789101.122.974.9410.0618.9551.2573.6699.9147.5201.10.010.030.060.040.100.180.440.311.101.750.9%0.8%1.2%0.4%0.5%0.7%0.4%0.6%0.3%0.7%合成不確定度和擴展不確定度合成標準不確定度擴展不確定度在省級標準超聲換能器中，包含因子的值取2。各功率點不確定度

功率點12345678910（%）1.631.581.821.421.451.531.421.491.401.53U（%）3.33.23.62.82.93.12.83.02.83.1輸出功率和輻射電導擬合曲線輻射電導計