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超声换能器的性能测试

2020-12-04 08:53:51

在超声技术中 ,为了评价超声振动系统的性能以及超声的作用效果 ,必须对超声换能器的性能参数进行测试 . 超声换能器的各种参数大概可以分为两大类 : 第一类是与换能器本身的振动性质有关的物理量 ,如换能器的振动位移和振速及其分布 ,与其相关的测试方法主要包括显微镜法、干涉法以及全息法等 ,既可以进行绝对测量 ,也可以进行相对测试 ;第二类是与换能器的辐射声场有关的物理量 ,如换能器的辐射声功率 ,声强度以及声场分布等. 关于超声换能器的性能测试 ,主要有两种方法 ,即小信号法以及大信号法两种. 目前有关功率超声换能器的测试基本上限于小信号状态下的测试 ,常用的方法包括导纳和阻抗圆法 ,传输线法以及功率曲线法等. 对于接收型超声换能器 ,其性能要求与发射型有所不同 ,因而其测试方法也有差异. 对于接收型换能器 ,接收灵敏度是一个重要的电声参数 ,涉及到的测试方法有两种 ,一是比较法 ,二是互易法. 一般来说 ,比较法主要用于校准测量换能器 ,而互易法主要用于校准标准换能器。

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关于超声换能器的大功率性能测试 ,由于换能器的非线性以及振动系统的复杂性 ,如波形畸变以及负载变化等 ,国内外至今没有一种通用的测试方法 ,也缺乏统一的国际和国家标准 ,因此 ,对于一些实用功率超声技术的评价缺乏统一的标准 ,也无法衡量大功率超声设备 ,如超声清洗机以及焊接机等的性能。


日本学者于 70年代提出了一种可以测量大功率超声换能器振动性能的高频电功率计法. 该法可以测量换能器在大功率状态下的辐射声功率及电声效率. 然而 ,这种方法存在一些致命的缺点 ,限制了其在实际中的应用. 第一 ,为了测量换能器的介电损耗功率 ,需要两个性能完全一致的换能器 ,这一点在实际中是很难做到的. 第二 ,为了得到换能器的介电及机械损耗功率 ,事先必须测出换能器的介电及机械损耗功率与换能器端电压和振动速度之间的依赖关系. 鉴于上述原因 ,这种方法至今仍没有在实际中得到广泛的应用。


功率超声在液体中的应用技术基本上都与超声的空化现象有关 ,所有的大功率超声液体声场实际上就是微观超声空化场的宏观表现. 因此大功率超声场的测试实际上也就是超声空化场或空化现象的测试. 由于超声的空化现象是一个极为复杂的非线性微观过程 ,其实际的测试极为困难和复杂 ,因而大功率超声场的定量精确测试也是很难的. 比较流行的测试方法主要有两种 :直接测量法 (直接测量声场物理量的方法 ,这些物理量包括声压、声强以及声功率等 )以及间接测量法 (通过观察功率超声场的空化效果间接测量低频高强超声场 ). 超声场的直接测试方法包括水听器法 ,如压电水听器、磁致伸缩水听器及光纤水听器等 ;热敏探头法 ,如热电偶和热敏元件等 ;以及光纤探测法和量热法等. 间接测试方法包括薄膜腐蚀法 ,影像法 ,如淀粉碘化钾反应法 ,染色法 ,液晶显色法 ,声致发光成像法等 ,以及谱分析法 ,如频谱和功率谱分析法 ,声发射谱法 ,空化噪声谱等。


在超声技术中 ,声功率是一个非常重要的物理量 ,有关其测试方法的研究报告也很多. 声功率的直接测试方法主要包括用于小功率的辐射压力法见上图和用于大功率超声的量热法. 辐射压力法主要用于医学超声功率的测试 ,测试范围从毫瓦级到几瓦乃至几十瓦不等 ,测试精度较高 ,基本上可以控制在 10%左右. 目前用于大功率超声功率的测试方法主要是量热法 ,随着灵敏的热敏器件的研究技术不断提高 ,可以预计超声功率的量热法测试将会受到更多的关注和重视。



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