工科硕士预答辩

2011级研究生预答辩报告毫瓦级标准压电超声换能器的研制及性能测试论文提纲1绪论2标准超声换能器工作原理及应用3标准超声换能器的设计及研制4超声换能器声场特性研究实验5超声换能器输出功率标定实验6结论和展望1绪论选题背景

随着超声诊断的快速发展，国内外一些医学专家研究认为，超声波检查并非对人体安全无害，超声功率过大会对人体细胞产生极度的空化效应。为保证患者生命安全，相关计量检定规程明确规定，用于检测各种超声设备功率的毫瓦级超声功率计需要定期送到计量检定部门强制检定，强检周期为一年。研究意义毫瓦级超声功率溯源体系

超声功率国家基准/副基准省级毫瓦级标准超声源（本级计量检定器具）毫瓦级超声功率计（地市级计量器具）各种医用超声设备直接比对直接比对直接比对

本文的研究意义在于从国家计量标准出发，研制稳定度高、具有一定输出频率的标准换能器，并通过毫瓦级超声功率基准标定其输出功率，完善目前所用的标准超声源，为超声功率的量值传递提供可靠的依据，为人体安全提供保障。

标准超声换能器研究现状20世纪80年代，我国研制出了石英单晶标准超声换能器；2006年广东省计量科学研究院自行研发的铌酸锂单晶标准换能器作为国家基准，最高频率可达10MHz，发射功率范围1～1000mw，功率不确定度U=3%（k=2），代表了国内最高水平。但铌酸锂材料在标准超声换能器的应用，在省级计量部门还未得到普及。国外标准换能器的工作频率普遍较高，德国联邦物理技术研究院研制的铌酸锂超声换能器可进一步采用7次倍频工作，最高频率达15MHz。

2标准压电超声换能器

工作原理及应用压电效应

机械能电能正压电效应逆压电效应压电超声换能器谐振特性

电流随频率变化特性压电换能器谐振时等效电路RdLdUCoCd标准压电超声换能器在毫瓦级超声功率计检定中的应用标准压电超声换能器应用功率信号源阻抗匹配器标准超声换能器毫瓦级超声功率计功率放大器3标准超声换能器的设计及研制铌酸锂单晶压电性能Ozxy表示质点运动方向35orotatedy-cutz-cut163orotatedy-cut41ox-cut41o163o35o切割角度振动模式机电耦合系数频率常数声阻抗率Y-10°厚度伸缩0.17——Y-35°厚度伸缩0.49370034.8Y-163°厚度剪切0.62228021.4Z厚度伸缩0.17366034.4X厚度剪切0.68240022.3压电晶片尺寸设计晶片直径尺寸D（1）设压电振子厚度为t，直径为，原则上当时，对Y-35°的压电晶片施加沿厚度方向的电压，压电振子做高纯度厚度伸缩运动；（2）受毫瓦级超声功率基准中反射靶面积大小的限制，一般小于反射靶面积的1/2。综合以上因素以及晶体的制备成本等，本文选择压电振子直径为25mm。晶片厚度尺寸t压电晶片电极设计电极设计关键因素（1）电极材料的选择—金（2）电极镀膜工艺方法选择—磁控溅射法,厚度为300nm（3）电极外形及尺寸设计—环形电极外壳设计塞子、套筒外形及尺寸外壳形状及尺寸

换能器装配流程及工艺特性

（1）电极的焊接。焊接前，应将铌酸锂压电晶片进行加温一段时间，以免晶片表面与烙铁温差过大引起晶片骤裂；焊接时必须控制好温度，否则容易导致金层电极脱落，影响导电性能。

（2）固定压电晶片。将已经焊接好电极的铌酸锂晶片从外壳顶部小心放置底部，置于最底端的边沿上面，由于外壳底部孔的直径小于晶片直径，与晶片从底端装配的方式相比，可起到良好的固定作用。（3）负极的连接。将特定尺寸的黄铜圆环置于铌酸锂晶片表面，注意圆环应该很好地与环形电极的负极（外侧圆环电极）和内壁接触，且不能与正极接触，避免短路。（4）固定晶片。将弹簧垫片放在黄铜圆环上方，把带有外螺纹的圆环沿着外壳顶端的螺纹放入壳内，到达壳底部第二道螺纹位置处，旋转螺纹直至与晶片上方的圆环紧密接触。（5）封装换能器。先通过螺纹将套筒与外壳连接起来，然后从晶片正极引出的导线与BNC焊接起来，将BNC装入塞子中心位置的圆孔内（螺纹连接），通过四个螺钉固定塞子和套筒。采用螺纹的目的主要是为了避免过盈配合时因为对外壳的加温处理造成导线熔化和晶片损坏。超声换能器声场特性研究实验测量原理和实验装置

水听器法——用已校准的水听器接收换能器辐射在水中的声压，通过水听器灵敏度将声压信号转换为电压信号，对电压信号进行放大并用示波器采集电压波形来间接分析声压特性，通过处理电压信号进行声压和其他声场特性的研究。

xzy步进电机消声水箱手动控制滑块超声换能器水听器连接数字示波器实验方法二维扫描—确定换能器工作频率

二维声场测试实验通过换能器在水中的辐射声场测试，获得时域和频域的相关波形，综合考虑换能器的频率稳定性、声能量、带宽等因素，确定换能器的工作频率。实验在相同电压、不同频率的条件下进行。（1）对频率进行粗略测试，在4.5～5.5MHz范围内进行扫描，频率间隔为0.1MHz，分析每个频率点水听器所接收到的电压波形，初步确定换能器工作频率范围，通过中心频率判断频率的稳定性。（2）通过间隔为0.01MHz的精细测试，并在小范围内观察其频谱特性，通过声能量分布情况确定其工作频率。

二维频率测试结果

电压最小幅值为11.5mV，在4.9MHz时，输出电压幅值达到最大，为17.5mV，而在5.1MHz时，电压幅值达到最小值11.5mV。在5.3MHz处出现了二次电压峰值13.5mV，但此峰值与4.9MHz处的输出相比相差很多。频率间隔为0.01MHz的测试实验结果，电压峰值对应4.9MHz，电压最小幅值对应4.95MHz。若选择谐振频率作为工作频率，则工作频率在4.9MHz附近，若选择反谐振频率为工作频率，则在4.95MHz附近。

换能器10个频率点的中心频率与信号发生器的频率基本一致，频率稳定性较好。在4.82~4.86MHz和4.94~5.0MHz两个频率区间，中心频率高于外加频率，偏离最大点处为外加频率4.84MHz处，这时中心频率为4.88MHz。由此可知，在换能器声压衰减3dB带宽范围内，峰值右半边较宽，导致中心频率大于外加频率。在4.90、4.92MHz两个频率点中心频率低于外加频率，最大偏离值在4.92MHz处，这时中心频率为4.89MHz，峰值左侧宽度大于右侧。在4.84、4.94MHz处，换能器的带宽比较宽，证明换能器在这两个频率点的频率稳定性较好、能量在带宽范围内较集中。二维测试频谱特性分析结果

在基频峰值声压相同的情况下，4.84MHz时，二次谐波的峰值声压占基频峰值声压的三分之一左右，三次谐波的峰值声压不到基频峰值声压的三分之一；而4.94MHz时，二次谐波峰值声压接近基频声压的三分之一，且出现了干扰较强的三次谐波，峰值声压超过了基频峰值声压的二分之一，并且在高频15MHz附近出现了较强的高次谐波。通过实验比较，换能器的工作频率选择4.84MHz。三维声场测试三维扫描—研究工作频率下的声场空间峰值特性

三维精密自动扫描技术用来测试超声声场空间分布特性，通过高精度的步进电机控制三维机械导轨，首先通过z轴扫描确定z轴的峰值（焦距）坐标，然后在垂直于z轴的平面，逐渐扫描x、y轴，最终获得z轴焦距处所在平面内的声场空间分布特性。通过三维声场扫描，在焦距平面通过水听器的移动采集平面内的声压信号，通过换能器空间分布特征，推断换能器发射表面的性能。

超声换能器输出功率标定实验毫瓦级超声功率基准装置1—反馈式自动微量天平；2—信号发生器；3—反射靶支架；4—吸声橡胶尖劈；5—被测换能器；6—支架和防气流罩；7—防震装置；8—吊丝；9—圆柱形消声水槽

输出功率标定方法—辐射力天平法

辐射力天平法测量超声功率是将超声功率的计量溯源到声产生的最终源头—力学。在工作频率下，改变激励电压可产生不同的力，输出的超声功率也不同，通过天平砝码的重量来表征辐射功率的大小。基本原理是将反射靶作为障碍物置于声场中，超声换能器向水中的辐射声压，产生了作用于反射靶上的力，数值上等于时间平均动量流，并且与超声强度和功率成正比。在小振幅平面超声场中，反射靶上受到的力和超声换能器发射的声功率之间的关系为

c—超声在流体中的声速（m/s）；F—沿超声波轴线方向作用于靶上的辐射力（N）；—反射靶面法线与入射声束间的夹角（rad）。实验条件

实验准备和要求：实验前应提前制备好除气蒸馏水，清洁被测超声换能器发射面及外壳、反射靶，避免将颗粒杂质等带入水槽中。由于温度、气压等外在条件会对测量结果产生不同程度的影响，因此要求（1）大气压强：（86～106）kPa；（2）实验室温度：（22±1）℃；（3）大气相对湿度：＜85%；（4）靶距应小于近场距离。为保证平面波近似条件的满足，要求。k为水中的角波数，，为水中的波长；a为辐射面的半径。测量还应尽量保证自由场条件的满足，避免驻波的出现，保证靶面的反射波不返回到换能器表面。减小测量误差的措施（1）天平的读数除了采取多次测量求平均值的方法外，每一次读数均采取

这样可以减少由于温度、以及外界的振动等因素导致的天平漂移引起的读数误差。（2）由于毫瓦级基准装置的测量精度受工作时间的影响，超声在水中的辐射时间过长会引起温升，重复测量时，一次实验完成10个功率点的一组测量数据，并且尽量缩短每次测量的时间，避免由于测量装置由于工作时间过长导致的测量误差。每组实验数据需在同样的起始水温和外界条件下进行。实验数据处理方法

检定毫瓦级超声功率计是依据已知辐射电导的标准超声换能器，辐射声导指换能器工作是时输出功率和电压平方的比值，即

通过计算出的标准超声换能器的声功率与功率计实测值之间的直接比对，通过误差计算判定功率计是否合格。用已经标定过的标准超声换能器进行检定时取1,3,5,7,10,20,50,100,200，300,500mW等功率点来进行检定，对于未经标定的换能器，为了更准确地评价其性能，实验时在辐射功率范围内，得出多组测量数据。同时为了更大限度的减少误差，进行多组测量。不确定度评定数学模型可推导出

输出功率不确定度声速辐射力反射靶夹角人为操作原因重复性（1）由声速引起的不确定度

整个实验过程中测得温度的变化范围是±3℃，取均匀分布，则

实验测量温度为22℃，因此由声速带来的不确定度为（2）由辐射力天平引起的不确定度

我国毫瓦级超声功率基准的精密天平所带来的不确定度最大不超过1.0%，这里取

（3）由反射靶自身的夹角的加工引起的不确定度

毫瓦级超声功率基准装置中的角度准确度为10′，则（4）实验中人为操作原因引起的不确定度a.由于反射靶的与平面活塞标准压电超声换能器发射声束偏离引起的不确定度。将由于实验中未对准情况下反射靶所受到的力分解，则垂直方向上的分力为，则实际功率与测量功率的误差为

反射靶与压电换能器中心未平行的角度偏差不超过3°，则由这种微量的分力引起的相对不确定度b.由反射靶的不垂直引起的不确定度实验过程中发射靶不完全垂直，法线与垂直方向会有偏差，反射靶法线与垂直方向的角度偏差最大1°，取均匀分布得，（5）重复性引起的不确定度功率点123456789101.122.974.9410.0618.9551.2573.6699.9147.5201.10.010.030.060.040.100.180.440.311.101.750.9%0.8%1.2%0.4%0.5%0.7%0.4%0.6%0.3%0.7%合成不确定度和扩展不确定度合成标准不确定度扩展不确定度在省级标准超声换能器中，包含因子的值取2。各功率点不确定度

功率点12345678910（%）1.631.581.821.421.451.531.421.491.401.53U（%）3.33.23.62.82.93.12.83.02.83.1输出功率和辐射电导拟合曲线辐射电导计