射频功率放大器在超声换能器声场特性校准中的应用

实验名称：基于水听器法的超声换能器声场特性校准技术的研究

研究方向：超声换能器

测试目的：

超声无损检测是无损检测领域重要的技术之一，而换能器作为超声检测中的关键部件，广泛应用于工业检测和医用超声成像领域。其性能好坏直接关系到超声应用技术的效果和使用范围，特别是声场特性参数，对超声无损检测的检测范围、缺陷检出率和缺陷评价准确性都有很大的影响，实现对超声换能器的声场特性参数准确测量进行深入研究是十分有价值的。

在计量领域中，依据JJF1294-2011《超声探伤仪换能器校准规范》、JJF1650-2017《超声探伤仪换能器声场特性校准规范》开展超声换能器的校准。其中JJF1294-2011是通过标准试块耦合换能器向其材料内部发射超声波，该波在标准试块中传播并再次被耦合换能器检测到以用于评价换能器相关特性参数；JJF1650-2017是基于水听器法测量超声信号和扫描声场获取声场特性参数，水听器法作为目前超声声场中声压测量的推荐法则，其优点是测量结果直观，能完整反映声波波形的图形，是各领域换能器声学特性参数校准的标准。

文中主要针对基于水听器法超声换能器声场特性参数校准进行研究，包括超声换能器声场特性校准装置的设备组成和技术指标、声场特性参数(包括焦距焦区尺寸、声束扩散角等参数)校准方法；进行声场特性参数的实验测量，并进一步讨论实验数据。

测试设备：ATA-8202射频功率放大器、水听器、信号发生器、示波器等。

实验过程：

图：超声换能器声场特性校准系统结构示意图

超声换能器声场特性校准系统主要由超声声场扫描定位装置、超声脉冲激励装置、信号采集装置，其校准系统结构示意如上图所示。

一、标准水听器和被测超声换能器的安装

由于水听器针尖的薄膜非常脆弱，因此使用水听器探头时一定不能用于或其他物体触碰针尖，使用蒸馅水轻轻清洗即可；

将标准水听器安装固定于电动五自由度运动机构的夹持支架上，并注意水听器的连接线，不要缠绕在运动机构上；

将被测超声换能器安装固定于手动五自由度运动机构的夹持支架上，并注意被测超声探头的连接线，不要缠绕在运动机构上；

标准水听器和被测超声换能器安装固定后，可分别通过驱动手动五自由度运动机构、电动五自由度运动机构调节被测超声换能器、标准水听器的位置和安态。请尽量保持被测超声探头表面与水听器垂直，使被测超声探头和标准水听器的轴线位于水槽中心的回一直线上。

二、系统的连接调试

将被测超声换能器连接功率放大器和信号发生器，设置信号发生器工作频率为被测换能器的标称频率2.25MHz，并置于猝发音输出模式，脉冲激励波形周期数设置为10个，使得水听器输出达到稳态为准。

将标准水听器连接放大器和示波器，通过电动五自由度运动机构带动水听器以步进距离0.2mm，运行速度10mm/s进行若干平面的扫描，即可得到声场特性参数。

实验结果：

图：聚焦超声换能器声场特性参数测量结果

通过对比实际测量结果和理论结果发现，实际测量的声场与仿真结果基本吻合，声场特性参数测量结果在合理的范围内。证明系统可以测量聚焦换能器声场，并且测量结果比较准确。

安泰ATA-8202射频功率放大器：

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审核编辑黄宇