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        超聲換能器的性能測試

        2020-12-04 08:53:51

        在超聲技術中 ,為了評價超聲振動系統的性能以及超聲的作用效果 ,必須對超聲換能器的性能參數進行測試 . 超聲換能器的各種參數大概可以分為兩大類 : 第一類是與換能器本身的振動性質有關的物理量 ,如換能器的振動位移和振速及其分布 ,與其相關的測試方法主要包括顯微鏡法、干涉法以及全息法等 ,既可以進行絕對測量 ,也可以進行相對測試 ;第二類是與換能器的輻射聲場有關的物理量 ,如換能器的輻射聲功率 ,聲強度以及聲場分布等. 關于超聲換能器的性能測試 ,主要有兩種方法 ,即小信號法以及大信號法兩種. 目前有關功率超聲換能器的測試基本上限于小信號狀態下的測試 ,常用的方法包括導納和阻抗圓法 ,傳輸線法以及功率曲線法等. 對于接收型超聲換能器 ,其性能要求與發射型有所不同 ,因而其測試方法也有差異. 對于接收型換能器 ,接收靈敏度是一個重要的電聲參數 ,涉及到的測試方法有兩種 ,一是比較法 ,二是互易法. 一般來說 ,比較法主要用于校準測量換能器 ,而互易法主要用于校準標準換能器。

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        關于超聲換能器的大功率性能測試 ,由于換能器的非線性以及振動系統的復雜性 ,如波形畸變以及負載變化等 ,國內外至今沒有一種通用的測試方法 ,也缺乏統一的國際和國家標準 ,因此 ,對于一些實用功率超聲技術的評價缺乏統一的標準 ,也無法衡量大功率超聲設備 ,如超聲清洗機以及焊接機等的性能。


        日本學者于 70年代提出了一種可以測量大功率超聲換能器振動性能的高頻電功率計法. 該法可以測量換能器在大功率狀態下的輻射聲功率及電聲效率. 然而 ,這種方法存在一些致命的缺點 ,限制了其在實際中的應用. 第一 ,為了測量換能器的介電損耗功率 ,需要兩個性能完全一致的換能器 ,這一點在實際中是很難做到的. 第二 ,為了得到換能器的介電及機械損耗功率 ,事先必須測出換能器的介電及機械損耗功率與換能器端電壓和振動速度之間的依賴關系. 鑒于上述原因 ,這種方法至今仍沒有在實際中得到廣泛的應用。


        功率超聲在液體中的應用技術基本上都與超聲的空化現象有關 ,所有的大功率超聲液體聲場實際上就是微觀超聲空化場的宏觀表現. 因此大功率超聲場的測試實際上也就是超聲空化場或空化現象的測試. 由于超聲的空化現象是一個極為復雜的非線性微觀過程 ,其實際的測試極為困難和復雜 ,因而大功率超聲場的定量精確測試也是很難的. 比較流行的測試方法主要有兩種 :直接測量法 (直接測量聲場物理量的方法 ,這些物理量包括聲壓、聲強以及聲功率等 )以及間接測量法 (通過觀察功率超聲場的空化效果間接測量低頻高強超聲場 ). 超聲場的直接測試方法包括水聽器法 ,如壓電水聽器、磁致伸縮水聽器及光纖水聽器等 ;熱敏探頭法 ,如熱電偶和熱敏元件等 ;以及光纖探測法和量熱法等. 間接測試方法包括薄膜腐蝕法 ,影像法 ,如淀粉碘化鉀反應法 ,染色法 ,液晶顯色法 ,聲致發光成像法等 ,以及譜分析法 ,如頻譜和功率譜分析法 ,聲發射譜法 ,空化噪聲譜等。


        在超聲技術中 ,聲功率是一個非常重要的物理量 ,有關其測試方法的研究報告也很多. 聲功率的直接測試方法主要包括用于小功率的輻射壓力法見上圖和用于大功率超聲的量熱法. 輻射壓力法主要用于醫學超聲功率的測試 ,測試范圍從毫瓦級到幾瓦乃至幾十瓦不等 ,測試精度較高 ,基本上可以控制在 10%左右. 目前用于大功率超聲功率的測試方法主要是量熱法 ,隨著靈敏的熱敏器件的研究技術不斷提高 ,可以預計超聲功率的量熱法測試將會受到更多的關注和重視。



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