第1章-水聽(tīng)器測(cè)聲場(chǎng)聲功率-陸明珠-方莉

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第1章 水聽(tīng)器測(cè)量超聲換能器輻射聲壓、聲功率1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 學(xué)習(xí)PVDF（聚偏氟乙烯）針式水聽(tīng)器（PVDF Needle Hydrophone）、膜式水聽(tīng)器（Membrane Hydrophone）、光導(dǎo)纖維水聽(tīng)器（FOPH, Fiber Optic Probe Hydrophone）的聲壓測(cè)試原理和輻射力天平測(cè)量聲功率的測(cè)試原理，將其用于測(cè)量超聲換能器輻射聲壓和聲功率。2、 用PVDF針式水聽(tīng)器、膜式水聽(tīng)器HMA-0200、光導(dǎo)纖維水聽(tīng)器FOPH2000測(cè)量單陣元聚焦超聲換能器的輻射聲壓，掌握實(shí)驗(yàn)步驟和過(guò)程。3、 比較三種水聽(tīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。1.2 數(shù)學(xué)

2、物理原理1.2.1 PVDF針式水聽(tīng)器（PVDF Needle Hydrophone）1水聽(tīng)器是把水下聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的換能器。當(dāng)壓電材料上的壓力 (聲擾動(dòng) )發(fā)生變化時(shí)，壓電材料內(nèi)部的電荷分布就會(huì)成比例地發(fā)生變化并且會(huì)以電壓信號(hào)的形式體現(xiàn)出來(lái)，因此可通過(guò)壓電元件表面上的電極提取這些電荷，經(jīng)電壓放大器或電荷放大器放大后，由信號(hào)處理示波器顯示出能反映聲波波形的圖像,這樣就以很直接的方法完成了超聲聲場(chǎng)中聲壓的測(cè)量。目前所采用的水聽(tīng)器主要有PVDF（Polyvinylidene Fluoride）針式水聽(tīng)器，PVDF膜式水聽(tīng)器以及光導(dǎo)纖維水聽(tīng)器FOPH。PVDF材料由于靈敏度高和聲阻抗優(yōu)在電聲換

3、能器得到廣泛應(yīng)用。下面首先介紹PVDF針式水聽(tīng)器。顧名思義，PVDF針式水聽(tīng)器是針形的。針式水聽(tīng)器由于直徑很小因而可檢測(cè)測(cè)量點(diǎn)的聲壓，實(shí)際上是針式水聽(tīng)器直徑尺寸范圍的平均聲壓；原則上針式水聽(tīng)器的直徑越小越好，至少小于聲場(chǎng)的1個(gè)波長(zhǎng)，如15MHz的聲場(chǎng)，則針式水聽(tīng)器的直徑要小于0.1mm。針式水聽(tīng)器是測(cè)量聲場(chǎng)和聲壓的首選換能器（一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量工具），適合連續(xù)波和脈沖波的測(cè)量。針式水聽(tīng)器針尖上有一層通常為幾個(gè)微米厚的PVDF薄膜，現(xiàn)在可以做到928m的膜厚，這層薄膜就相當(dāng)于一個(gè)高靈敏度的壓電換能器，能將接收到的聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，目前換能器直徑可做到40m1mm，在135MHz頻率范圍針式

4、水聽(tīng)器具有平坦的測(cè)量特性。針式水聽(tīng)器及其原理圖如下所示：(a) 針式水聽(tīng)器外觀圖(b) 針式水聽(tīng)器原理結(jié)構(gòu)圖圖1.1 針式水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)及外形1由于水聽(tīng)器針尖的聚偏氟乙烯薄膜非常脆弱，因此使用針式水聽(tīng)器時(shí)注意不能用手或任何其他物體碰水聽(tīng)器針尖。清洗水聽(tīng)器時(shí)，用蒸餾水輕輕沖洗。針式水聽(tīng)器最大的優(yōu)點(diǎn)是：水聽(tīng)器體積非常小，不會(huì)對(duì)測(cè)試聲場(chǎng)造成大的干擾，同時(shí)靈敏度高，使用方便，價(jià)錢相對(duì)于膜式水聽(tīng)器和FOPH水聽(tīng)器來(lái)說(shuō)便宜。通常針式水聽(tīng)器使用時(shí)需要配以水浸式前置放大器，DC耦合器以及水聽(tīng)器輔助放大器。它們分別介紹如下：圖1.2 針式水聽(tīng)器前置放大器前置放大器（Submersible Preamplifier）

5、的作用是放大水聽(tīng)器接收到的聲信號(hào)。直流耦合（DC Coupler）的作用是提供直流電壓，驅(qū)動(dòng)前置放大器；以及作為前置放大器和測(cè)量系統(tǒng)之間的聲信號(hào)耦合器。由于水聽(tīng)器的輸出信號(hào)一般非常微弱，因此在將其輸入采集和顯示系統(tǒng)前，通常還需要經(jīng)過(guò)一個(gè)水聽(tīng)器輔助放大器，進(jìn)一步放大水聽(tīng)器接收到的聲信號(hào)。1.2.2 PVDF膜式水聽(tīng)器（PVDF Membrane Hydrophone）1PVDF膜式水聽(tīng)器主要為測(cè)量脈沖波聲場(chǎng)而設(shè)計(jì)的，所以這里注意適合寬帶的脈沖聲場(chǎng)不適合連續(xù)波，是二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量工具。PVDF膜式水聽(tīng)器是寬頻換能器可用于脈沖、諧波等非線性分析。PVDF膜式水聽(tīng)器的帶寬為0.5-45MHz.PVDF膜式

6、水聽(tīng)器的原理與針式水聽(tīng)器類似，都是通過(guò)PVDF薄膜感受壓力的變化，從而將聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。但它們的構(gòu)造不同。針式水聽(tīng)器是針尖狀的，只有針尖覆蓋有一層幾微米厚的薄膜。而膜式水聽(tīng)器構(gòu)造如下圖所示：圖1.3 PVDF膜式水聽(tīng)器外觀圖膜式水聽(tīng)器由單層或多層、幾個(gè)到十幾個(gè)微米厚的PVDF薄膜張開(kāi)在一個(gè)一定直徑的圓形支架上，采用真空沉積技術(shù)在薄膜兩側(cè)各鍍上一層金屬作為傳導(dǎo)電極，它們的重疊部分即為對(duì)聲敏感的感應(yīng)單元。感應(yīng)單元的幾何尺寸就是膜式水聽(tīng)器的有效孔徑尺寸。膜式水聽(tīng)器通過(guò)感應(yīng)單元來(lái)感應(yīng)聲壓的變化，并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，而兩個(gè)電極可以將電壓信號(hào)傳遞出去。一般膜式水聽(tīng)器通過(guò)孔徑尺寸來(lái)進(jìn)行命名，如HM

7、A-0200指的是ONDA公司生產(chǎn)的HMA系列孔徑為0.2 mm的膜式水聽(tīng)器。膜式水聽(tīng)器適合于測(cè)試脈沖超聲場(chǎng)，因?yàn)榇藭r(shí)需要換能器頻帶寬，且響應(yīng)均勻，而膜式水聽(tīng)器的靈敏度在整個(gè)測(cè)試頻率范圍內(nèi)基本上保持一致，因而能很好地重現(xiàn)聲波的形狀。它的優(yōu)點(diǎn)有：靈敏度高、寬帶寬、密封設(shè)計(jì)、內(nèi)置前置放大器和孔徑可選。它的一個(gè)缺點(diǎn)是體積大，對(duì)測(cè)試聲場(chǎng)可能會(huì)造成干擾；因?yàn)橛捎陧憫?yīng)面積大，由此導(dǎo)致的空間平均效應(yīng)也會(huì)使得測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確。同時(shí)測(cè)試的聲壓幅值也不能過(guò)大，否則會(huì)損壞PVDF薄膜。膜式水聽(tīng)器共有兩種：無(wú)背襯式和有背襯式。第一種PVDF膜后無(wú)背襯材料，因?yàn)槿菀资艿剿耐茐憾l(fā)生運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)，造成測(cè)量錯(cuò)誤。而有背襯式水

8、聽(tīng)器由于背襯材料的存在使得其硬度大，不容易發(fā)生運(yùn)動(dòng)，也降低了測(cè)量誤差。但是背襯材料會(huì)吸收聲場(chǎng)能量，因而在測(cè)試高強(qiáng)度聲場(chǎng)時(shí)，背襯材料也可能會(huì)由于吸收過(guò)多的能量而發(fā)生融化，從而損壞PVDF薄膜，而無(wú)背襯水聽(tīng)器就不會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的吸收，因而更加適用于高強(qiáng)度聲場(chǎng)的測(cè)量。1.2.3 光導(dǎo)纖維水聽(tīng)器（Fiber Optic Probe Hydrophone FOPH ）2針式和模式水聽(tīng)器只能測(cè)量低功率聲壓，對(duì)于高功率的聲壓檢測(cè)一直是個(gè)難題，因而應(yīng)運(yùn)而生了光導(dǎo)纖維水聽(tīng)器FOPH用于水聲的高聲壓、高頻、高精度、瞬時(shí)測(cè)試；光導(dǎo)纖維水聽(tīng)器FOPH可以用于水中換能器的聲場(chǎng)和溫度場(chǎng)檢測(cè)。它最先是由Phillips、Sta

9、udenraus和Eisenmenger提出的。光纖水聽(tīng)器的主要原理是：光導(dǎo)纖維水聽(tīng)器FOPH是基于，聲場(chǎng)的聲壓變化會(huì)造成光纖頭和水界面處的水密度發(fā)生變化，導(dǎo)致該處的折射率隨聲壓變化，因而也由此導(dǎo)致其界面處的光反射率變化。由一個(gè)激光器（808nm）發(fā)射激光到置于水聲場(chǎng)中的單?；蚨嗄９饫w上，將該處折射率變化的調(diào)制光由光纖接收耦合到光子檢測(cè)和放大器，這一檢測(cè)的光電信號(hào)隨時(shí)間的變化規(guī)律就反應(yīng)了聲場(chǎng)中聲壓隨時(shí)間的變化規(guī)律。光導(dǎo)纖維水聽(tīng)器FOPH的檢測(cè)系統(tǒng)可見(jiàn)圖1.4。圖1.4 光導(dǎo)纖維水聽(tīng)器FOPH原理圖我們由以下幾個(gè)關(guān)系得出光子檢測(cè)放大器輸出電壓會(huì)和聲壓成線性關(guān)系3。首先由菲涅耳Fresnel方程可

10、以得到在光纖垂直入射激光處的光反射率R與液體的折射率n的關(guān)系為： (1.1)是光纖的折射率。然后由Gladstone-Dale關(guān)系可得到水中折射率和聲壓p的關(guān)系： (1.2)其中Tail參數(shù)（，靜態(tài)時(shí)（）。 (1.3)最后光電檢測(cè)輸出與聲壓變化（）的關(guān)系為： (1.4)H是常數(shù)（取平均值），上式表示光電檢測(cè)輸出與聲壓變化是與聲壓的變化成正比，實(shí)驗(yàn)證明在聲壓（-12Mpa40MPa）非線性小于5%, 是修正系數(shù)。相對(duì)于PVDF水聽(tīng)器，F(xiàn)OPH的突出優(yōu)點(diǎn)有：更高的空間分辨率（光纖探頭直徑100m）、帶寬理論上1GHz，放大器限制帶寬100MHz、快速響應(yīng)、可測(cè)高幅值正壓和高幅值負(fù)壓、高的抗電磁干擾

11、能力、能測(cè)試更高幅值的聲壓、既使在空化條件下也能精確測(cè)量。FOPH水聽(tīng)器本身可做為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試不需要參照標(biāo)準(zhǔn)（因?yàn)檎凵渎蕦?duì)給定材料的條件是確定的）；FOPH的感應(yīng)尖在受到高幅值聲壓場(chǎng)產(chǎn)生的空化活動(dòng)作用而損壞時(shí)，能夠快速修復(fù)。FOPH系統(tǒng)適用于測(cè)試高幅值聲壓場(chǎng)（0.9 MPa）的測(cè)試。常規(guī)的PVDF水聽(tīng)器僅可檢測(cè)小的聲壓聲場(chǎng)。由于采用了光學(xué)檢測(cè)FOPH可測(cè)量極高的聲壓，是PVDF水聽(tīng)器的幾百到千倍，聲強(qiáng)就是幾萬(wàn)到千萬(wàn)倍；從而解決了高能聲場(chǎng)的測(cè)試難題。這使得先進(jìn)的FOPH水聽(tīng)器可應(yīng)用于高強(qiáng)度聚焦超聲聲場(chǎng)測(cè)試領(lǐng)域。1.2.4 計(jì)算聲壓、聲功率45上述三種水聽(tīng)器直接輸出的信號(hào)是電壓信號(hào)，用各自的靈敏度進(jìn)行

12、轉(zhuǎn)換后，就成為了對(duì)應(yīng)的聲壓信號(hào)。各自水聽(tīng)器的使用說(shuō)明里面都給出其對(duì)應(yīng)的靈敏度。得到電壓-時(shí)間波形后，可以計(jì)算聲強(qiáng)和聲功率。空間峰值脈沖平均強(qiáng)度ISPPA的 計(jì)算公式如下所示： （1.5）其中為水的密度，為水中的聲速，為時(shí)變的聲壓波形，T為波形的周期，為所選波形的整周期數(shù)，為第一個(gè)滿幅值周期的延遲時(shí)間，t為時(shí)間。另外空間平均脈沖平均強(qiáng)度ISAPA的計(jì)算公式為： （1.6）S為積分面積，通常為焦平面上-6 dB波束面積。將ISPPA在一個(gè)包括波束的主瓣和旁瓣的大面積上進(jìn)行積分，就可以得到聲功率。對(duì)于強(qiáng)聚焦的球面換能器，1994年Hill給出了其平均聲強(qiáng)和峰值聲強(qiáng)的計(jì)算公式，對(duì)于施加聲功率W不合聲壓

13、半高寬為D的聲場(chǎng)，認(rèn)為是高斯分布的則，平均聲強(qiáng)和峰值聲強(qiáng)的計(jì)算公式的計(jì)算公式為： （1.7）1.2.5聲功率的輻射力天平測(cè)量456聲波的動(dòng)量在遇到目標(biāo)（吸收或反射）時(shí)將產(chǎn)生力，這個(gè)力就是輻射力(Acoustic radiation force)。超聲聲功率的定量測(cè)量就是用輻射力天平（Radiation force balance）來(lái)檢測(cè)的。輻射力測(cè)量聲功率的原理就是讓被測(cè)量換能器的波束完全作用在全吸收靶或全反射靶上，然后用天平測(cè)量全吸收靶的輻射力。對(duì)于全反射靶反射到吸聲腔再測(cè)量其輻射力。圖1.5上圖是全吸收靶輻射力天平原理結(jié)構(gòu)示意，圖中全吸收靶的面積要大于換能器在靶上的波束尺寸；圖1.5下圖中

14、的全吸收靶一般用聚氨酯材料做成，下右圖是全反射錐靶，下左圖是用刷型做成的全吸收靶可測(cè)如高強(qiáng)度聚焦超聲等大的聲功率。聲功率P與測(cè)量的輻射力成如下關(guān)系：（1.8）c是水中聲速（依賴于水溫），m是質(zhì)量變化，g是重力加速度；mg是輻射力天平讀數(shù)。1W聲功率對(duì)應(yīng)的輻射力是69毫克（mg）。所測(cè)量的是平面波的聲功率。對(duì)波束和傳播方向成的聲功率計(jì)算如下：(1.9)輻射力天平對(duì)測(cè)量較小聲功率，小于5W，可達(dá)精度小于5%；對(duì)測(cè)量高功率精度就差了，可能是由于空化的作用，測(cè)量高功率要用除氣水。由于輻射力天平是用于平面波的檢測(cè)，對(duì)于強(qiáng)聚焦換能器需用如下公式校正： (1.10)其中, D和Rc是球面換能器的直徑和球面的

15、曲率半徑。 圖1.5 上圖聲功率的輻射力天平測(cè)試原理，下圖全吸收和全反射錐靶圖1.6是實(shí)際的計(jì)算機(jī)采集控制的輻射力天平原理及系統(tǒng)。圖1.6 計(jì)算機(jī)采集控制的輻射力天平原理及系統(tǒng)1.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與材料1.3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)1. PVDF針式水聽(tīng)器測(cè)試系統(tǒng)456PVDF針式水聽(tīng)器測(cè)試系統(tǒng)如圖1.7所示。用示波器(或高速數(shù)據(jù)采集卡)作為信號(hào)的顯示器和采集器，可以得到聲場(chǎng)中單點(diǎn)的聲壓波形，對(duì)于連續(xù)波無(wú)需同步信號(hào)檢測(cè)，而對(duì)脈沖波要用同步觸發(fā)檢測(cè)。如果將水聽(tīng)器夾持在3維機(jī)械運(yùn)動(dòng)（掃描）裝置上可以重構(gòu)出換能器的3維的聲場(chǎng)。在我們實(shí)驗(yàn)室有兩套3維運(yùn)動(dòng)掃描系統(tǒng)，其中若采用掃描系統(tǒng)（如Multiscan 5800系

16、統(tǒng)）移動(dòng)水聽(tīng)器進(jìn)行掃描，就可以得到一個(gè)截面上的聲壓分布，再由一個(gè)個(gè)截面聲壓構(gòu)成3維聲場(chǎng)分布。圖1.7中使用了兩個(gè)放大器來(lái)放大水聽(tīng)器的信號(hào)，浸入式前置放大器和水聽(tīng)器輔助放大器，這是因?yàn)樗?tīng)器信號(hào)通常很微弱，需要進(jìn)行兩級(jí)放大。圖1.7 PVDF針式水聽(tīng)器連接圖圖1.8 PVDF針式水聽(tīng)器測(cè)試HIFU換能器聲壓的系統(tǒng)框圖圖1.8為針式水聽(tīng)器測(cè)試HIFU換能器聲壓的系統(tǒng)框圖，圖中省略了換能器的夾持裝置。2. PVDF膜式水聽(tīng)器測(cè)試系統(tǒng)圖1.9為膜式水聽(tīng)器的測(cè)試系統(tǒng)。圖中也省略了用來(lái)固定膜式水聽(tīng)器的裝置。一般模式水聽(tīng)器的前置放大器和膜式水聽(tīng)器做成一體。由于膜式水聽(tīng)器體積很大，移動(dòng)不方便，HIFU換能器移

17、動(dòng)也不方便，所以本實(shí)驗(yàn)只測(cè)試HIFU換能器焦點(diǎn)處一點(diǎn)的聲壓，因而用示波器作為信號(hào)顯示和采集裝置。圖1.9 PVDF膜式水聽(tīng)器測(cè)試系統(tǒng)3.光導(dǎo)纖維水聽(tīng)器（ FOPH）測(cè)試系統(tǒng)7圖1.10為FOPH測(cè)試系統(tǒng)。它的測(cè)試系統(tǒng)和針式水聽(tīng)器一樣，用示波器(或高速數(shù)據(jù)采集卡)作為信號(hào)的顯示器和采集器，可以得到聲場(chǎng)中單點(diǎn)的聲壓波形。如果將水聽(tīng)器夾持在3維機(jī)械運(yùn)動(dòng)（掃描）裝置上可以重構(gòu)出換能器的3維的聲場(chǎng)。圖1.10 光導(dǎo)纖維水聽(tīng)器FOPH測(cè)試系統(tǒng)圖1.11 PVDF針式水聽(tīng)器HPM021.3.2 實(shí)驗(yàn)材料1. PVDF針式水聽(tīng)器（HPM02或HPM05）本實(shí)驗(yàn)所使用的PVDF針式水聽(tīng)器是Precision A

18、coustic公司生產(chǎn)的Needle Hydrophone，型號(hào)為HPM02或HPM05，針頭直徑為200 m或500 m。外觀圖如圖1.11所示。它的主要性能參數(shù)如表1-1所示：輸出阻抗13 pF+/- 2 pF探頭靈敏度55 nV/Pa (相當(dāng)于-265.2 dB re 1 V/uPa)靈敏度變化范圍+/- 3 dB頻率響應(yīng)(+/-2dB): 5 to 25 MHz(+/-4dB): 1 to 35 MHz傳感器材料9 m厚的PVDF傳感器尺寸0.2 mm表 1-1 針式水聽(tīng)器HPM02性能參數(shù)表2. PVDF膜式水聽(tīng)器HMA-0200本實(shí)驗(yàn)使用的膜式水聽(tīng)器是由Onda公司生產(chǎn)的HMA-0

19、200，即水聽(tīng)器的有效孔徑尺寸為0.2 mm。它的頻率特性和具體尺寸圖如下所示。圖1.12 PVDF膜式水聽(tīng)器HMA-0200的：上圖頻率特性，及下圖安裝尺寸換能器中已嵌入有前置放大器。它的性能參數(shù)如表1-2所示：孔徑尺寸0.2 mm頻率響應(yīng)（使用范圍）0.5-45 MHz（3 dB）靈敏度0.1V/Pa場(chǎng)干擾性高表 1-2 PVDF膜式水聽(tīng)器HMA-0200性能參數(shù)表3.光導(dǎo)纖維水聽(tīng)器FOPH20002 圖1.13 FOPH2000外觀圖本實(shí)驗(yàn)所使用的FOPH為RP ACOUSTIC公司生產(chǎn)的FOPH2000，見(jiàn)圖1.13。FOPH 2000由主機(jī)（大圖）和光檢測(cè)模塊（小圖）組成；主機(jī)中有激

20、光發(fā)射和驅(qū)動(dòng)模塊、模式耦合及電池模塊構(gòu)成；光檢測(cè)模塊由光檢測(cè)及放大器組成。FOPH 2000可以用于聚焦超聲的沖擊波的正、負(fù)聲壓的測(cè)試，測(cè)量精度、空間分辨率高，測(cè)量快速響應(yīng)和寬帶性能好。表 1-3 FOPH 2000性能參數(shù)表空間分辨率100 m上升時(shí)間3 ns電氣限制帶寬100 MHz帶寬150 MHz理論帶寬30 GHz測(cè)量范圍-60 Mpa 400 MPa單脈沖聲壓分辨率+/- 0.7 MPa靈敏度2 mv/MPa方向性全方位準(zhǔn)確度+/- 5%溫度范圍10 353. 配套測(cè)試的其它設(shè)備材料三維機(jī)械移動(dòng)系統(tǒng)（Suruga Seiki Co. Ltd, Japan）數(shù)據(jù)采集卡（200MHz

21、CoumpuScope CS14100，Tektronix Gage，USA）三維聲場(chǎng)掃描系統(tǒng)（Panametrics Inc., Waltham, MA, USA）吸聲材料（RTV silicone rubber, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences），水槽和除氣水1.4 實(shí)驗(yàn)步驟1.4.1 PVDF針式水聽(tīng)器的測(cè)試步驟1. 在水槽內(nèi)固定好HIFU換能器，將水聽(tīng)器置于Multiscan5800的掃描桿上；按照?qǐng)D1.7，1.8連接好實(shí)驗(yàn)設(shè)備。2. 仔細(xì)調(diào)節(jié)換能器的位置，使其對(duì)準(zhǔn)換能器并置于其焦點(diǎn)位置。3. 為了保護(hù)水聽(tīng)器，HI

22、FU換能器的輸出功率不能大于2 W。實(shí)驗(yàn)中選擇1 W。4. 按照從強(qiáng)電到弱電的順序依次打開(kāi)儀器設(shè)備，調(diào)節(jié)功率放大器的輸出功率為 1 W。5. 使用示波器作為信號(hào)接收器，觀察波形并采集一段信號(hào)，采樣頻率為100 MHz。6. 使用Multiscan 5800的Receiver作為信號(hào)接收端，設(shè)置適當(dāng)參數(shù)，執(zhí)行掃描程序，得到聲場(chǎng)一個(gè)截面的聲壓分布數(shù)據(jù)。7. 實(shí)驗(yàn)完畢，按照從弱電到強(qiáng)電的順序關(guān)閉儀器，使儀器回復(fù)原位。1.4.2 PVDF膜式水聽(tīng)器的測(cè)試步驟1. 在水槽內(nèi)固定好HIFU換能器和膜式水聽(tīng)器，使水聽(tīng)器對(duì)準(zhǔn)換能器，并使得膜式水聽(tīng)器的感應(yīng)單元?jiǎng)偤锰幱趽Q能器的焦點(diǎn)處。2. 按照?qǐng)D1.9連好實(shí)驗(yàn)設(shè)

23、備；為了保護(hù)膜式水聽(tīng)器，設(shè)置功率放大器的輸出功率為較低的水平。3. 按照從輸入到輸出的順序打開(kāi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，利用示波器觀察接收到的信號(hào)波形并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。4. 實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉儀器，整理實(shí)驗(yàn)器材。1.4.2 FOPH的測(cè)試步驟1. 在水槽內(nèi)固定好HIFU換能器和FOPH，使水聽(tīng)器對(duì)準(zhǔn)換能器，并使得FOPH的光纖頭剛好處于換能器的焦點(diǎn)處。2. 按照?qǐng)D1.10連好實(shí)驗(yàn)設(shè)備；由于光纖水聽(tīng)器能測(cè)試的聲壓范圍很大，因此可以應(yīng)當(dāng)調(diào)高功率放大器的輸出功率。3. 按照從輸入到輸出的順序打開(kāi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，利用示波器觀察接收到的信號(hào)波形并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。4. 實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉儀器，整理實(shí)驗(yàn)器材。1.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析1.5.1

24、 PVDF針式水聽(tīng)器的測(cè)試結(jié)果圖1.14是用PVDF針式水聽(tīng)器可以測(cè)試1.2MHz HIFU換能器的幾個(gè)脈沖時(shí)間波形。圖1.14 用PVDF針式水聽(tīng)器和FOPH2000測(cè)試1.2MHz HIFU換能器數(shù)個(gè)脈沖波形圖1.15 為利用PVDF針式水聽(tīng)器測(cè)試的1.2 MHz HIFU換能器（連續(xù)波）焦平面上和XOZ面的聲強(qiáng)分布，可以看出焦點(diǎn)區(qū)域?yàn)?.61.68.6 mm3。(a)(b)圖1.15 0.5mmPVDF針式水聽(tīng)器聲場(chǎng)測(cè)量1.2 MHz HIFU換能器（連續(xù)波）聲場(chǎng)： (a)焦平面聲強(qiáng)網(wǎng)格圖分布 (b)XOZ平面聲強(qiáng)分布圖1.16是利用PVDF針式水聽(tīng)器測(cè)試的1.2 MHz HIFU換能器

25、垂直聲軸平面的測(cè)量結(jié)果。(0)(-1)(-2)(3)(2)(1)圖 1.16 1.2 MHz HIFU換能器垂直聲軸平面的測(cè)量結(jié)果；（）中為測(cè)量平面與初始測(cè)量位置的關(guān)系，初始位置近似定在換能器的幾何焦點(diǎn)的位置，水聽(tīng)器向上移動(dòng)遠(yuǎn)離換能器為（+），向下移動(dòng)靠近換能器為（-），單位mm圖 1.17 和 1.18 顯示了利用PVDF針式水聽(tīng)器測(cè)試的1.1 MHz 16陣元相控陣聲HIFU換能器的聚焦聲場(chǎng)分布結(jié)果。圖 1.17 1.1 MHz 16陣元相控陣聲HIFU換能器軸上焦點(diǎn)聲強(qiáng)分布: 左圖為理論仿真結(jié)果， 右圖為用PVDF(0.5mm)水聽(tīng)器測(cè)試結(jié)果圖 1.18 1.1 MHz 16陣元相控陣聲

26、離軸焦點(diǎn)(偏離y軸2.25mm)聲強(qiáng)分布：左圖為)理論仿真結(jié)果， 右圖為用PVDF(0.5mm)水聽(tīng)器測(cè)試結(jié)果1.5.2 PVDF膜式水聽(tīng)器的測(cè)試結(jié)果圖1.19為利用PVDF膜式水聽(tīng)器HMA-0200測(cè)試的幾個(gè)脈沖聲壓波形圖。圖1.19 PVDF膜式水聽(tīng)器HMA-0200測(cè)得的非線性造的波形圖1.5.3 光導(dǎo)纖維水聽(tīng)器的測(cè)試結(jié)果圖1.20為利用FOPH2000測(cè)試的聲壓波形圖?？梢詼y(cè)量單脈沖和連續(xù)波，用于高聲壓的非線性特性分析。(a) 單脈沖聲壓波形(b) 非線性造成的鋸齒波形圖1.20 FOPH 2000測(cè)得的波形圖1.5.4 測(cè)試結(jié)果的分析討論首先，從測(cè)試時(shí)的控制條件可以看出，針式水聽(tīng)器能

27、測(cè)量的聲壓幅值較小，因而呈現(xiàn)線性特性（圖1.14）, 針式水聽(tīng)器可對(duì)脈沖和連續(xù)波測(cè)試。針式水聽(tīng)器雖然尺寸很?。?.1mm）, 但是它測(cè)得的是水聽(tīng)器直徑上的平均聲壓，圖 1.15 顯示1.2 MHz HIFU換能器的焦點(diǎn)區(qū)域?yàn)?.61.68.6 mm3，而理論上的焦點(diǎn)區(qū)域?yàn)?.11.18.0 mm3，所以每個(gè)方向的尺寸都比理論的大了一個(gè)水聽(tīng)器直徑（0.5mm）。 這就是測(cè)量帶來(lái)的誤差，是可以分析的出來(lái)的，因此選擇小的水聽(tīng)器直徑，誤差會(huì)減少，這是顯而易見(jiàn)的。由于水槽是方形的所以圖1.16和圖1.17的焦點(diǎn)主峰旁的四個(gè)角對(duì)稱位置有四個(gè)象旁瓣聲壓，而理論上是沒(méi)有這樣對(duì)稱的旁瓣。膜式水聽(tīng)器只適合脈沖小幅

28、值的條件，由于寬帶特性圖1.19的非線性波形特點(diǎn)顯現(xiàn)出，膜式水聽(tīng)器還適合諧波、次諧波等非線性特性。FOPH能很好地反映高強(qiáng)度聚焦超聲超聲場(chǎng)中由于非線性造成的鋸齒波波形和沖擊特性。 由于其上升時(shí)間極短僅為3ns，所以對(duì)單脈沖擊（圖1.20）上升沿很陡的具有正、負(fù)幅度的波形能準(zhǔn)確測(cè)試，由于寬帶特性對(duì)非線性鋸齒波明顯顯示（圖1.20），對(duì)同一非線性波形針式水聽(tīng)器測(cè)的峰值明顯低于FOPH測(cè)的結(jié)果，F(xiàn)OPH還反映出高頻的波形（圖1.21）。FOPH可以測(cè)量強(qiáng)聲場(chǎng)，這是它最主要的任務(wù)。圖1.21 左圖為用PVDF針式水聽(tīng)器和右圖為用FOPH 2000測(cè)得的高功率聲壓波形對(duì)比圖1.6 總 結(jié)1. 水聽(tīng)器體積非常小，不會(huì)對(duì)測(cè)試聲場(chǎng)造成大的干擾，可以測(cè)量連續(xù)波和脈沖波聲壓，同時(shí)靈敏度高，使用方便；它的缺點(diǎn)是帶寬相對(duì)膜式水聽(tīng)器和FOPH來(lái)說(shuō)較窄，頻率響應(yīng)也不及后二者平坦，能夠測(cè)量的聲壓范圍有限。適用于測(cè)試低聲壓值的聲場(chǎng)。同時(shí)由于水聽(tīng)器體積小，移動(dòng)方便，可以得到聲場(chǎng)的截面圖和3維聲場(chǎng)分布，也可以應(yīng)用于多種超聲換能器的測(cè)試，如相控陣換能器探頭等。2. 膜式水聽(tīng)器適合于測(cè)試脈沖超聲場(chǎng)，因?yàn)樗念l帶寬，且響應(yīng)均勻，而且其靈敏度在整個(gè)測(cè)試頻率范圍內(nèi)基本上保持一致，因而能很好地重現(xiàn)聲波的形狀，特別適合非線性和諧波特性的測(cè)量。它的優(yōu)點(diǎn)有：靈敏度高、頻帶寬、密封