GB／T 7966-2022  声学 超声功率测量 辐射力天平法及其要求

辐射力天平可以选用重力天平，此时波束应沿竖直方向；也可以选用力反馈方式设计的关平，允许 波束方向是水平的。如果天平已按照质量单位进行校准，则天平读数对力值的正确转换应由辐射力装 置的制造商或使用者保证。 注：垂直波束取向的天平便于溯源至国家质量标准（校准过的码）。实践中也有波束为水平取向，或采用反射 靶[5,]，或采用吸收靶7的天平。天平的校准可以通过合适的平衡臂附加装置或者利用已知声功率的超声源。 对于所测量的超声功率的大小，使用的天平应有足够高的分辨力（见A.5.4）。

如果使用反射靶，则测量容器内壁应有吸声材料，使得反射产生的影响不超过总测量功率的1% (见A.5.5)

超声换能器的安装方法应能使超声换能器相对靶有稳定和可重复的定位，使其引起的总测量功 化不超过1%。

若使用防冲流膜，它应安装在靠近靶的位置且不应与超声换能器的表面平行"。如果其影响超过 总测量功率的1%，则应测定其透声系数并加以校正（见A.5.8）。 注：实践中 压力容器标准，5到10°的倾角是合适的。

超声换能器应与测量装置耦合，使对总测量功率产生的影响小于1%。否则，应对其进行修正（见 A.5.9)

超声换能器应与测量装置耦合，使对总测量功率产生的影响小于1%。否则，应对！ A.5.9)

GB/T7966—2022/IEC61161:2013

辐射力天平的测力部分应使用已知质量的小码校准。 在非原级测量装置情况下，应使用一个或多个已知输出功率的超声源对辐射力天平进行校准，这些 超声源应可溯源到原级测量装置。校准应分别在天平工作范围内的多个声频率和输出功率级上进行。 在这种情况下，应每两年进行一次校准，若有任何迹象表明天平对超声功率的灵敏度发生变化时，应缩 短其校准周期（见A.5.10）。 注：本文件中，“原级测量装置”是指参加了国际关键比对或由国际计量委员会/国际计量局（CIPM/BIPM)组织的 国际比对的测量装置。 为满足精度要求，宜依据所用天平的不同，就衍射、聚焦角度、脱靶的或未被靶吸收或反射的能量、 换能器与靶之间水径中的吸收、声冲流等因素进行修正，

测量中，靶的横向位置应保持不变并可重复到由其引起的总测量功率的变化不超过1%的 见A,6.1)

6.2换能器与靶的距离

超声换能器表面与靶之间的距离或膜（若使用）与靶之间的距离应尽可能小，这是由于声传播路径 上的超声吸收可能导致声冲流（见A.6.2）。 超声换能器表面与靶之间的距离或膜（若使用）与靶之间的距离应已知并能重复，以使总测量功率 可能的变化不超过1%（见A.6.2）。

当使用辐射力天平时，测量所使用的液体应选用水。 输出功率超过1W时，只能使用除气水。 由IEC/TR.62781中所描述的规范化过程完成水的除气（见附录D)。在所有测量期间，要求使用 除气水的地方，水中的含氧量应小于4mg/L，同时，水中含氧量还应足够低以避免发生空化。如果观察 到任何空化泡，则测量结果应作废（见A.6.3）

开始测量之前，应确保工作表面上的所有气泡已被消除。测量完成后，应再对工作表面进行杠 如果发现其表面留有任何气泡，则测量结果应作废（见A.6.4）

装置，或控制测量过程，包括数据采集，使 得测量期间的热漂移及其他干扰对总测量功率所造成的影响不大于1% 测量装置应防止环境振动及空气流动（见A.6.5)

使用吸收靶时，应记录超声换能器开机前后的测量信号，以对由于吸收声能（导致膨胀和浮力变化 产生的热影响进行评估（见A.6.6）

用吸收靶时，应记录超声换能器开机前后的测量信号，以对由于吸收声能（导致膨胀和浮力变化） 热影响进行评估（见A.6.6）

GB/T79662022/IEC61161:2013

应分别评估每一种装置的总测量不确定度或测量精度，评估包括以下方面。 使用BIPMJCGM100:2008评估不确定度[9

7.2包括悬吊靶的天平系统

应使用已知质量的小码，对包括悬吊在水中的靶在内，用于测量辐射力的整个天平系统进行检查 或校准。 这个过程应采用每个码重复几次，以获得测量结果的随机分布。对天平校准因子不确定度的评 估将从该校准结果及所使用码的质量不确定度得出。 为了能够判断天平校准因子的长期稳定性，这些检查的结果应被归档（见A.7.2）

7.3天平系统的线性度及分辨力

接照下列方法，天平系统的线性度应至少每六个月检查一次。 在需要的天平输出范围内，应至少用三个不同质量的码按7.2中所描述的测量方法完成天平系 统线性的检查。如图2所示，得出输入质量与天平读数的关系曲线。理想状况下，图上的结果点应落在 起始于坐标原点的直线上。如果出现偏离这一直线的情况，则由此可产生附加的不确定分量。 由于小于10mg的码不便于操作，所以天平系统的线性也可通过已知特性的超声换能器检查， 即通过改变激励电压幅度进而得到多个辐射力检查天平系统的线性。在这种情况下，图2中横坐标的 输人量是换能器的超声输出功率，同时也应考虑它的不确定度。 在不确定度分析时，应考虑天平的有限分辨力所引起的对测量不确定度的影响。

7.4超声换能器开通瞬间的推算

在使用电子天平的情况下，为了获得辐射力的值，天平输出信号是作为时间的函数被记录下来并外 推到超声换能器开通时刻相应的天平输出幅值。这种外推过程产生的不确定度主要取决于天平输出信 号的离散程度（信噪比），外推结果的不确定度应通过回归算法中的标准数学程序进行评定。

靶缺陷的影响应使用平面波近似来评估，具体描述见A.7.5。

7.6反射靶的几何尺寸

7.7反射靶测量情况下的侧向吸声体

应对图F.1b)、图F.2、图F.5b)和图F.6中所用侧向吸声体的不理想予以评估并应纳入整 不确定度(见A.7.7)。

7.9超声换能器未对准

7.11超声衰减和声冲流

GB/T7966—2022/IEC61161:2013

应对超声衰减和声冲流产生的不确定度予以评估并应纳入整个系统的不确定度（见，A.7.11)

如在辐射力测量中使用耦合膜或防护膜，应考虑测量或评估膜的透射损失，以及反射波对超声换能

在扫描模式下使用吸收靶进行 需要假设扫描过程中波策参数保 持不变以及扫描角度已知。此假设的满 定度和扫描角度的不确定度应予评估且应 纳入整个系统的不确定度评定中。出于对） 虑，不建议使用反射靶

应对环境振动、空气流动或温度变化产生的不确定度予以评估并应纳入整个系统的不确定层 .7.16)。

如集施加到 和超声功率的测量结果是有关的， 测量不确定度应评估且应纳入 (见 A.7.17)

7.18超声换能器温度

如果要比较在不同温度下所测量的超声功率，则应对与温度相关的功率值进行检查，并考虑其 见A.7.18)，

应对下述因素对非线性的潜在影响予以评估，如有必要，应纳入整个系统的不确定度： a）包括悬吊靶在内天平系统的非线性； b）除气水不佳对非线性的贡献； 超声衰减和声冲流； d）非线性与辐射力的理论关系本身

GB/T79662022/ (见 A.7.19)。

相比于其他不确定度，重力加速度g的不确定度一般很小。g的数值取决于辐射力天平原 置和海拔。

相比于其他不确定度，重力加速度g的不确定度一般很小。g的数值取决于辐射力天平所处的位 置和海拔。

应进行周期性的检查以便利用上述指南确定在7.2～7.20中规定的不确定度是否不受其他任何 影响（见A.7.21）。

图2线性度检查：天平读数随输入量的变

关于辐射力测量的更多资料

注：本附录包含本文件规范的附加信息 该附加信息有助于实际超声功率的测量。其章、条的编 格式。

辐射力等于时间平均动量流的变化，因此与超声强度和功率有关 这一关系还取决于声场和靶的细节，

无。 A.3术语和定义 无。 A.4符号表 无。 A.5对辐射力天平的要求 A.5.1概述 无。

通常情况下，革 的变化而导致的浮力变化，靶的压缩系数宜尽可能地小。同时在其他方面还要非常小心，以确保靶具有 最稳定的浮力。 为了在可预测的不确定度范围内实施功率测量，靶的类型选择要依据超声波束与理论平面波的偏 离程度大小，特别是反射靶，它的使

通常将利用合适的弹性橡胶材料制成、带或不带尖劈的片层作为吸收靶。为了增加吸声性能，可在 材料中加入适当的非均质填料。 图1所示是一种带尖劈的吸收靶的实例，其中填料的体积含量从尖劈顶端处的0%逐步增加至后 表面处的30%。在该实例中，以直径在0.1mm左右的空心玻璃微珠作为非均匀填料是令人满意的，因 为它们对橡胶材料的密度和压缩系数影响很小。 参考文献[11]、[12]中介绍了其他类型的吸收靶。 已经证明，声波发射功率高于10W或呈现局部高功率密度时，均能在吸收靶内部引起非常高的局 部温升，该温升会导致吸收靶损坏及声学特性的改变。观察到的温升可高达50C以上。

反射靶最主要的问题是减小其可压缩性，因为空气压力波动会改变靶的体积，从而改变靶的浮力。 靶的体积及其浮力的变化与靶的可压缩性成比例。不宜采用由空气背衬薄金属板实现的平面声波反射 器。如利用实心金属板作为反射器，并将其平面与声束轴线的夹角调节为45°，则由于存在不可忽略的 随频率变化的透射因素的影响，可能引起测量误差[13]。 由厚壁中空物体或空气背衬薄金属板制作的锥形反射器是合适的，已证明使用硬发泡塑料上电镀 薄金属镀层的锥形反射体作为反射靶切实可行[10]。 凸圆锥形反射靶 图F.1b)、图F.2及图F.6所示为凸形圆锥反射靶。常用圆锥半角为45，从而使反射波与超声波波 束轴线成直角离去。 凹圆锥形反射靶 图F.5b)所示为凹圆锥形反射靶。常用圆锥半角在60°～65之间，因而与凸形反射器相比，反射波 更靠近超声换能器

A.5.3.1圆形活塞换能器

下面给出了靶的半径最小值的评估公式 截面靶相比较，半径为的靶可获得至 的辐射力（即误差小于2%）。该公式适用于在非吸收媒质中对带有障板的圆形平面活塞式半径 超声换能器形成连续振动的声场，公式为

t, =t。+△r To=ka/[2(—1)1/2] n= 0.98 +0.01元ka [0.7 ka≤9.3 At 6.51/ka 9.3≤ka≤65.1 [0.1 ka ≥65.1

一靶和超声换能器之间的归化距离（s=纵/a“）； 入超声在传声媒质中的波长； 2——靶与超声换能器之间的距离； k——圆波数（k=2元/）。 注：此处选用的符号与之前版本相比有所变化。 对已给出半径r的靶来说，式（A.1)能够解出s，即得出靶与超声换能器的归一化距离的最大值 吸收和声冲流的影响要分别考虑。 即使依据上述公式得到的r小于1.5a，依照预防措施和根据5.3，也决不可以把r的值减小到1.5a 以下。 严格地讲，上述公式适用于吸收靶，但也可以用于判定反射靶是否适用于发散波束情况下的测量。 宜被理解为最大的靶横截面的半径（在圆锥凸形反射靶的情况下，它是圆锥的底），而2宜被理解为是 最大靶横截面到换能器的距离。

GB/T7966—2022/IEC61161:2013

A.5.3.2矩形活塞换能器

道用于径为产的因形！ 广到下面的矩形换能器。式（A.2)同样给出了获得 不小于无限太靶98%的辐射

=ha/(1+μtis)+hhz

5=2入 /h;2 此处只是一个形式表述，并不一定与近场长度相关： h=2/(1/b十+1/b，）—换能器尺寸一半的调和平均值； ha=(b2+b,)1/2 一换能器对角线长度的一半。 即使依据上述公式得到的r小于1.5hd，依照预防措施和根据5.3，也决不可以把r的值减 .5ha以下。

5.3.3圆形聚焦换能器

对于圆形聚焦换能器，圆形吸收靶半径最小值的评估过程（参见[15)与A.5.3.1中的过程不同。 其准则同样是辐射力应不小于无限大的靶所得辐射力的98%。需要用到第4章中声明的变量α、d、k、 z和，此处d和可理解为从换能器有效部分边缘所在平面测得的值。 注1：对具有球形曲面的换能器，焦距和靶距离从“碗底”算起，此处所用的d和z需从焦距和靶距离减去“碗”的深 度求得。 评估在z/d=0和z/d=2的距离范围内是有效的。在四种~/d的情况下，靶半径对换能器半径 的归一化值r/a如下：

z/d=0时 z/d=0.5时 z/d=1时 z/d=2时

A.5.4天平/测力系统

所需要天平的类型非常依赖于被测超声功率的大小。10mW的功率值等效于6.7μN的辐射力 （吸收靶置于水中），对应于0.68mg的等效质量，10W功率值等效于6.7mN辐射力，对应于0.68g的 等效质量。在mW级功率测量中，具有自动补偿功能的电子微量天平是最合适的仪器，而在W级功率 测量中，合适的电子天平或纯粹的机械式实验室天平[16]也可以使用。不管在哪种情形下，对靶相对普

止位置的位移进行补偿是很重要的。 如果天平/测力装置是通过已知质量的小码校准或者其他方法校准，天平/测力装置的测量读数 以质量的单位给出，则用该质量读数乘以重力加速度g转换成力；如果测量结果用毫克或克给出，则乘 以g分别得到微牛顿力或毫牛顿力。依据附录B给出的公式将力转换成超声功率时，声速的单位是米 每秒（以23℃的纯水为例，声速c=1491m/s），然后算出以微瓦或毫瓦为单位的功率值。

需要确保无论是靶还是测量装置的任何其他部位均不产生明显的超声反射，或产生的反射波不会 返回到超声换能器上并对其产生作用。否则，测量所得的超声功率通常将不等于所期望的自由场中的 功率值。 如果使用反射靶，则来自水槽壁的反射就显得尤为重要。反射对功率测量值的影响取决于水槽的 几何尺寸。如果水槽的横截面是圆形的，所有的反射波都可能返回到靶上（再经过反射靶传到换能器）。 在这种情况下，5.5中1%的规定将进一步要求具有内衬的水槽壁的能量反射率≤1%。 当系统的水槽直接放在天平托盘上时（见图F.4的测量装置），宜将水槽置于托盘中心。

A.5.6靶的支撑结构

如果用穿过液面的丝线将靶悬挂在液体中，则丝线的直径宜尽可能细，以减小由丝线的不完全浸润 或者灰尘颗粒引起的测量误差。换能器放置在靶的上方（辐射力向下）时，可能需要几根悬吊丝，如 图F.5所示，此时细悬丝的使用尤为重要。 注1：可以使用直径为60μm或80μm的铂金属丝。 注2：依据7.2及A.7.2，将靶悬挂在水中，利用已知质量的码校准测量系统，可以检查悬吊丝对测量结果的影响。 在使用图F.4所示的装置时需要格外注意，此时换能器外表面将产生干扰的表面张力，为保持测量 水表面的稳定，宜延迟一段时间再开始测量。

A.5.7换能器的安装

可能涉及的冲流有两种，一种是热传递型，如超声换能器工作中的加热作用，另一种是与超声衰减 有关的声流，故主要出现于高频频段。 如果沿声程（长声程和/或高频率[17）上的超声吸收比较显著，将产生声冲流。声冲流的影响可以 通过下述办法进行补偿： a）修正辐射力的结果； b）使用防冲流膜； c）改变靶的距离推算零距离时的辐射力值。 若使用防冲流膜，厚度应尽可能地小，以保证其良好的声传播特性，这方面在高频时需予以重点 考虑。

A.5.9换能器的耦合

点对超声波束垂直向上的高灵敏度精密天平时尤其重要[18,19]（图F.1)。在高谐振超声换能器的测量 中，消除由附加耦合膜引起的阻抗变化是相当重要的。

GB/T7966—2022/IEC61161:2013

参考文献L20」中给出了采用耦合膜时便于测量的装置的详细技术说明。只要防冲流膜能够按 为要求适当地安装并且它的传输系数被单独确定，则该装置就能很好地完成大多数宽带换能器的 创量。

利用已知质量的小码进行校准以检查天平本身。利用参考超声换能器进行校准以检查包含 内的整个测量系统。

A.6.1靶的横向位置

百圆罐形反射靶在超声波束作用下 的现象无缝钢管标准，这一点需给予特别注意。靶可能移动 到声强较低的区域，作用于靶上波束的人射角度也可能发生改变。

A.6.2换能器与靶的距离

在声传播路径上超声吸收会引起声冲流，鉴于这一事实，超声换能器表面与靶或膜（若使用)与靶之 间的距离宜尽可能小。 注：最小距离可能会受换能器或靶的形状或方向限制，或者会受考温升或声反射等影响因素时引入的限制。 务必将吸收靶尽可能地靠近超声换能器安放，以避免任何涉及发散声场结构的问题。 对于凹形圆锥反射靶，应避免反射波对超声换能器产生任何作用。因此，这类靶应放置在能够避免 这种影响的距离之外[21]，这个最小的距离取决于每个换能器和靶的具体情况，因此需要单独评估。 另一方面，凸形反射靶的顶部可以与超声换能器的表面相接触布置，但是这并不意味着靶覆盖超声 换能器辐射的整个半空间。即使（在发散场结构的情况下）几乎整个声场都到达了凸形圆锥，这种情况 还是可能会在入射角不同于平面波公式假设的条件下发生，并可能导致实际辐射力的减少。如果对所 讨论的超声换能器的声场是否充分准直有任何怀疑（这种情况主要在低ka值时出现，也意味着在低频 或小直径超声换能器时出现），则应改变换能器与靶之间的距离并进行重复测量。如果辐射力随距离增 加而减少超过了因超声衰减而引起的减少，表明靶的尺寸或靶的类型不合适。 用吸收靶进行大功率测量时，换能器与靶之间的距离不宜太小。因被吸收的超声会使吸收靶生热，

为了避免空化，规定输出功率超过1W时使用除气水。在输出功率更小时，精密测量最好也使用 除气水。但在许多情况下，如果能小心防止换能器或靶表面产生气泡，也可选用未经除气的蒸馏水。 注1：水中溶氧量随时间增加，见附录D和IEC/TR62781。增加的速度与水槽的尺寸及对水的扰动有关。 注2：IEC/TR62781中介绍了利用添加剂抑制空化的方法。 注3：如果所用的水中含气量已达饱和，测量过程中水温升高将产生气泡。这是因为气体溶解度随着温度的升高而 降低。

放人水槽后，擦去超声换能器表面、靶及膜（若使用的话）表面的气泡（注意不要损坏表面）。测 前，将上述部件浸泡在除气水中，有助于改善与水的接触。某些材料可能需要浸泡几个小时以达到 接触。 注：将吸收靶与水一起除气，可以防止吸声材料可能的浸润不佳。前提是材料在真空中不会被损坏

放人水槽后，擦去超声换能器表面、靶及膜（若使用的话）表面的气泡（注意不要损坏表面）。测量 前，将上述部件浸泡在除气水中，有助于改善与水的接触。某些材料可能需要浸泡几个小时以达到充 接触。 注：将吸收靶与水一起除气，可以防止吸声材料可能的浸润不佳。前提是材料在真空中不会被损坏

GB/T7966—2022/IEC61161.2013

尽可能地密闭测量水槽以减少由于液体表面蒸发而带来的冷却效应而导致的测量液体的热对流。 如图F.4所示的测量装置，将测量水槽密闭起来是很难或几乎不可能的项目管理、论文，因而需要对因液体表面蒸 发而导致的天平读数漂移进行修正。 应该对所用测量液体（水）的温度进行测定。因为计算功率时所用的水中声速值取决于水的温度 见A.7.10)。 注：在天平读数中很容易观察到环境振动及空气流动的影响。

对于反射靶，热漂移在某些情况下对测量结果可能产生影响，虽然程度不会很大。 图F.4所示的天平结构大大降低了靶浮力变化的影响。但即使如此，还是建议记录天平读 间的变化。