Page 147 - 《应用声学》2023年第1期

第 42 卷 第 1 期 陈锦灵等： 球壳换能器电声效率测量方法及声场特性分析 143

4 实验结果 还要考虑到水听器能够承受的声压范围等。HIFU
声场的复杂性会影响测量装置的稳定性和精确性，
4.1 测量结果
在测量时要考虑到测量装置对 HIFU 声场的承受能
通过两种方法进行电声效率测量的结果如表 1 力的问题。
与表2所示。使用RFB法测量的平均电声转换效率
4.2 不确定度分析
在70.83%，使用平面扫描法测量的平均电声转换效
对于 RFB 法，A 类不确定度主要由 RFB 的重
率在 67.47%，从测量结果来看，两种方法的偏差在
复性测量引起，A类不确定度的评定使用贝塞尔法：
5%以内，具有较好的一致性。
v
u n
u 1 ∑
表 1 RFB 法测量不同电功率作用下 HIFU 换 µ = t (x i − x) . (16)
2
n(n − 1)
能器的声功率 i=1
Table 1 Measurement of acoustic power of 对 RFB 法在每个端电压下进行 4 次重复性测量，最
HIFU transducer under different electric 终由 RFB 重复测量引起的 A 类相对标准不确定度
power by RFB 为0.51%。
方法中的B类标准不确定度主要包括了：(1) 吸
聚焦换能器端 换能器输入
声功率/W 电声效率/%
电压幅值/V 电功率/W 收靶并非完全吸收声能，其 2% 的反射系数则对声
12.30 2.70 1.967 72.85 功率的测量将产生 2%的影响；(2) 声衰减引起的相
24.91 10.82 7.754 71.66 对标准不确定度为1.8%；(3) 实验声功率较小，声冲
流的影响可以忽略。
37.34 24.42 16.697 68.37
合成标准不确定度为
50.10 44.51 31.877 71.62
√
2
65.17 74.16 51.649 69.65 u c = u + u , (17)
2
a b
由此RFB法的合成不确定度为2.74%。
表 2 平面扫描法测量不同电功率作用下 HIFU
平面扫描法中的 A 类不确定度主要由水听器
换能器的声功率
重复性测量引起，对换能器每个端电压下进行 4
Table 2 Measurement of acoustic power of
次重复性测量，最终的 A 类相对标准不确定度为
HIFU transducer under different electric
power by planar scanning technique 3.64%。
方法中的 B 类标准不确定度主要是：(1) 水听
聚焦换能器端 换能器输入 器声压灵敏度对整个测试有重大影响，通过查询
声功率/W 电声效率/%
电压幅值/V 电功率/W
水听器声压灵敏度校准实验中的不确定度分析可
12.28 2.77 1.88 67.87
知由此引起的声功率测量标准不确定度为 3.5%；
24.92 10.79 7.34 68.06
(2) 声衰减的影响，根据声压衰减系数得出衰减误
37.30 24.41 16.19 66.34
差小于1.7%。由此计算合成标准不确定度为5.33%。
50.09 41.95 28.17 67.15
64.51 70.11 47.64 67.95 5 结论

当然，没有一种测量方法是称得上完美的，这 本文针对球壳聚焦换能器电声效率测量问题，
两种方法都存在一定的限制条件。对于 RFB 法而 阐明利用 RFB 法和平面扫描法测量声功率的原理，
言，其对测量环境的要求很高，一般要求在隔振台上 介绍了两种声功率测量方法的系统装置，说明了两
进行测量操作，以免外界环境对其测量结果造成影 种方法的测量操作，得到两种方法下的换能器输出
响；其次，为了避免非线性、声流以及热漂移带来的 声功率并比较了两种测量方法的测量误差大小以
影响，对于靶距的控制以及超声作用时间及方式有 及误差来源，同时就 HIFU 声场中存在的非线性传
着严格要求。对于平面扫描法，其对系统的移动精 播现象以及此时声功率的计算进行了简单阐述。实
度以及水听器的选择要求很高，为减小空间平均效 验数据表明两种方法测得的电声效率具有较好的
应的影响，水听器敏感元件有效直径要足够小，同时 一致性，满足声学计量的误差要求。