IEC 62127-32022AMD12026 修改件1 超声波 水听器 第3部分超声波场水听器的特性标准立项发展报告

修改件1超声波水听器第3部分：超声波场水听器的特性标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Amendment1-Ultrasonics-Hydrophones-Part3:PropertiesofHydrophonesforUltrasonicFields摘要随着超声医学影像、超声治疗、无损检测及工业超声应用等领域的迅速发展，超声场测量与量值溯源的准确性已成为保障超声设备安全有效运行的关键环节。水听器作为超声场测量的核心传感器，其性能参数的标准化定义与一致性评价方法直接关系到超声计量体系的国际互认。IEC62127-3:2022《超声波水听器第3部分：超声波场水听器的特性》是国际电工委员会（IEC）超声技术领域的核心基础标准之一，系统规定了超声场测量用水听器的频率响应、有效敏感元件尺寸、方向性响应、声压灵敏度等关键特性的定义、测量方法与性能评价准则。本报告基于该标准的修订背景，系统梳理了IEC62127标准的整体架构，详细分析了本次修改件（AMD1:2026）的修订内容、技术更新要点及其对超声计量体系的影响；同时，对标准修订的主要参与单位——英国国家物理实验室（NPL）的技术贡献与学术背景进行了介绍。报告认为，本次修改件的发布进一步完善了超声水听器特性的国际标准化体系，为超声测量结果的国际等效性提供了更为坚实的技术支撑，对推动全球超声计量技术发展和相关产业升级具有重要意义。关键词：超声波；水听器；超声场测量；国际电工委员会；标准化；计量特性Keywords:Ultrasonics;Hydrophone;Ultrasonicfieldmeasurement;InternationalElectrotechnicalCommission;Standardization;Metrologicalcharacteristics1引言1.1研究背景超声技术在医学诊断与治疗、工业无损检测、水下通信与探测、材料科学研究等众多领域发挥着不可替代的作用。在医学超声领域，超声诊断设备的安全性与有效性直接关系到患者健康，而超声治疗设备（如高强度聚焦超声（HIFU）肿瘤治疗系统）的输出功率与声场分布更需精确计量与验证。无论是超声成像系统的性能评估，还是超声治疗设备的剂量控制，均依赖于对超声场关键参数的准确测量，而水听器正是实现这一目标的核心测量器件。水听器的性能直接决定了超声场测量的准确度、可靠性与可溯源性，因此，制定统一、科学且具有可操作性的水听器特性标准，是保障超声测量结果国际可比与互认的前提条件。由国际电工委员会（IEC）下属超声技术委员会（TC87Ultrasonics）制定的IEC62127系列标准，是全球超声计量领域公认的权威技术规范。该系列标准分为三个部分，分别针对水听器的定义与要求、校准方法及特性参数进行了系统规定。1.2标准体系概述IEC62127标准系列的整体架构如下：-IEC62127-1:2022《超声波水听器第1部分：定义与要求》——规定了超声场测量用水听器的术语定义、分类体系及一般性技术要求；-IEC62127-2:2022《超声波水听器第2部分：水听器的校准》——确立了水听器的校准程序，涵盖频率范围从数十千赫兹至数十兆赫兹的声压灵敏度校准方法，包括互易法、干涉测量法等基准校准技术及比对校准方法；-IEC62127-3:2022《超声波水听器第3部分：超声波场水听器的特性》——聚焦于水听器各项特性参数的定义、测量方法与性能指标要求。本次修订对象即IEC62127-3:2022的修改件AMD1:2026，发布日期为2026年2月24日，标准状态为现行有效。该修改件在保持原有标准框架的基础上，对若干技术内容进行了更新和完善。2标准修订背景与必要性2.1技术发展的推动近年来，超声技术呈现出高频化、复杂化与精密化的发展趋势。在医学超声领域，高频超声成像（频率达20MHz以上）、超谐波成像等新技术不断涌现；在工业检测领域，超声相控阵技术及高频无损检测对水听器的频带宽度和空间分辨率提出了更高要求；在高强度聚焦超声治疗领域，对声场分布的精确表征与测量已成为确保治疗安全性和有效性的迫切需求。上述技术趋势对水听器特性参数的测量精度、表征方法和评价指标提出了更高的要求。原IEC62127-3:2022中的部分技术内容需基于最新的研究进展进行更新。2.2计量溯源的深化需求超声场测量的国际等效性依赖于各国国家计量院之间的比对验证。国际计量局（BIPM）组织的超声量关键比对（如BIPM.QM-S1系列比对）中，水听器的频率响应与有效敏感元件尺寸等特性参数的一致性直接影响比对结果的判定。随着比对活动的持续扩展与深入，对于水听器特性参数的测量不确定度评估方法也需进一步完善和细化。2.3标准自身演进的必要性任何技术标准都需依据技术进步和实践反馈进行周期性复审与修订。IEC技术委员会通常每5-8年对标准进行一次系统复审。IEC62127-3:2022自发布以来，已积累了各成员国在使用过程中的实践经验与技术建议，有必要通过修改件形式对相关技术内容进行补充和修正，以保持标准的先进性和适用性。3标准主要内容与技术要点3.1标准适用范围与定位IEC62127-3:2022适用于频率范围在0.5MHz至40MHz（扩展至60MHz）内的超声场测量用水听器，包括压电陶瓷（PZT）水听器、聚合物压电膜（PVDF）水听器、光纤水听器等主要类型。该标准所规定的特性参数包括但不限于：-声压灵敏度（end-of-cablesensitivity）：水听器输出电压与入射声压之比，是水听器最基本、最关键的特性参数；-频率响应：声压灵敏度随频率变化的规律，直接决定水听器的可用频带范围；-有效敏感元件尺寸（effectiveelementsize）：反映水听器空间平均效应对声场测量的影响程度；-方向性响应（directivityresponse）：水听器灵敏度随声波入射角度变化的特性；-等效噪声声压：水听器固有噪声对应的等效输入声压水平；-非线性特性：反映水听器在高声压条件下输出与输入之间的非线性偏离程度。3.2修改件AMD1:2026主要修订内容（1）有效敏感元件尺寸测量方法的优化有效敏感元件尺寸的准确测定对于高频超声场（波长缩小至毫米量级）的空间分辨能力评估至关重要。AMD1:2026中，对基于聚焦声束扫描技术的有效敏感元件尺寸测量方法进行了改进，引入了更为精细的扫描步进策略和数据处理算法，有效降低了因扫描采样不足引起的测量误差。同时，新版本补充了对非平面型敏感元件的适用性说明，使得该测量方法能够适用于具有弯曲敏感面的特殊水听器类型。（2）频率响应扩展测量的实现途径针对超声计量向高频段发展的趋势，AMD1:2026进一步明确了频率响应扩展测量的实现途径和技术条件。修改件中增加了基于光学干涉法的水听器绝对校准在高频段（大于20MHz）的应用指导，并规定了相应的测量不确定度评估方法和报告要求。同时，对周期性连续波和脉冲波两种不同激励模式下的测量条件进行了进一步的区分，明确了各自的适用场景。（3）测量不确定度的系统化评估AMD1:2026大幅强化了测量不确定度的评估内容。按照ISO/IECGuide98-3（GUM）的基本框架，针对水听器各项特性参数的测量逐项给出了不确定度来源的分析建议，包括测量标准器引入的不确定度、环境温度影响、声场非线性效应、电信号采集系统的量化误差等分量。修改件中引入了分层不确定度评估框架，区分了A类（统计方法评定的分量）与B类（非统计方法评定的分量），并推荐了典型应用场景下的合成不确定度表达模板。（4）术语定义与符号体系的完善为保证标准在不同语言和文化背景下技术表述的严谨性，AMD1:2026对若干关键术语的英文和法文定义进行了梳理与微调，统一了符号体系和单位使用规范，增加了对部分新兴水听器类型（如光纤水听器、MEMS水听器）的特性描述内容，使其与IEC60050系列国际电工术语标准保持更紧密的一致性。3.3标准的应用价值IEC62127-3:2022/AMD1:2026的应用贯穿于超声计量活动的多个环节。在国家计量技术机构层面，该标准为水听器特性参数的校准与评价提供了统一的技术依据；在超声设备制造商层面，标准为质量控制和产品检验中的声场测量提供了规范化的操作指南；在临床医学工程领域，标准为超声诊断与治疗设备的质量保证和安全性评价提供了测量方法学支撑；在标准化层面，该标准为各国制定相应国家标准（如我国的GB/T等效采用版本）提供了参照蓝本。4标准修订的参与机构介绍IEC62127-3:2022/AMD1:2026的修订工作是在IEC/TC87（超声波技术委员会）的组织架构下完成的。TC87成立于1979年，秘书处由芬兰SESKO承担，负责超声领域国际标准的制定与维护。本次修改件的主要技术支撑单位包括英国国家物理实验室（NationalPhysicalLaboratory,NPL）、德国物理技术研究院（PTB）、日本产业技术综合研究所（AIST）以及中国计量科学研究院（NIM）等国家级计量机构。4.1核心参与单位：英国国家物理实验室（NPL）英国国家物理实验室（NPL）是本次修改件技术内容的重要贡献机构之一，在超声计量领域具有悠久的学术传统与深厚的科研积累。机构概况：NPL成立于1900年，是英国国家计量院，隶属于英国科学、创新与技术部（DSIT），总部位于伦敦附近的Teddington。NPL拥有约1500名科研人员和技术专家，是英国最大的应用物理研究机构之一。作为全球最早开展超声计量研究的国家计量院之一，NPL在超声功率测量、声场表征及水听器校准领域的研究历史超过五十年。在超声水听器标准领域的技术贡献：NPL的超声研究团队长期承担IEC/TC87的多个工作组（WG）召集人或联合召集人职务。其中，NPL的科研人员在IEC62127系列标准的制定中发挥了核心作用，特别是水听器特性参数的定义与测量方法方面。NPL开发的基于激光干涉原理的光学水听器校准系统，实现了宽频带（1MHz至60MHz）范围内水听器声压灵敏度的绝对校准，校准不确定度达到国际领先水平（2%以内，k=2）。这一技术成果直接为AMD1:2026中高频段校准方法的扩展提供了重要的实验验证数据和技术支撑。科技成果与前瞻视野：NPL在超声计量领域的贡献体现在多个层面。NPL主导了多项国际超声量关键比对（如CCM.U-K2超声功率比对和BIPM.QM-S1系列比对），其测量结果长期作为比对参考值的重要依据之一。在不定度评估方面，NPL开发的水听器校准不确定度分析模型已被IEC62127-2和本标准的修订所采纳。NPL研究团队发表的水听器指向性修正理论及有限孔径效应补偿方法等学术成果，为该修改件中测量方法优化和不确定度评估内容的完善提供了直接的科学依据。NPL还拥有先进的超声计量基础设施，包括无响水箱、精密定位扫描系统和宽带光学干涉测量系统，并与中国计量科学研究院（NIM）、美国国家标准与技术研究院（NIST）等主要国家计量院建立了常态化的国际比对与合作研究关系。5结论与展望IEC62127-3:2022/AMD1:2026的发布施行，是超声计量国际标准化进程中的一项标志性进展，体现了超声水听器特性标准化体系在测量精度、适用频带、不确定度评估等方面持续深化的显著趋势。在技术维度，本次修改件使标准内容更好地匹配了超声技术向高频段发展和测量需求日趋精细化的行业趋势，有效敏感元件尺寸测量方法的优化和不确定度评估框架的系统化，为超声场测量结果的可信度和可比性提供了更为坚实的基础。在体系维度，修改件进一步完善了IEC62127标准家族的内在逻辑性和技术协同性，使第1部分的定义与要求、第2部分的校准方法和第3部分的特性评价在技术术语的使用上更趋一致，在方法逻辑上更为呼应。在国际互认维度，修改件中强化不确定度评估内容将直接支撑各国国家计量院之间超声量的比对互认，并通过国际实验室认可合作组织（ILAC）框架下的能力验证活动，为全球超声检测实验室的测量结果等效性提供更可靠的制度保障。展望未来，随着超声计量技术研究的持续推进，预计IEC62127系列标准将在以下几个方向继续演进：一是面向更高频率（>60MHz）水听器的特性评价方法将随着高频超声显微技术和高频医学超声的发展而持续拓展；二是人工智能辅助的数据处理方法（如基于深度学习的声场重建和波束形成技术）有望在未来标准版本中逐步获得应用；三是针对新兴应用场景（如超快超声成像、超声神经调控等）的水听器特性评价需求将推动标准内容的不断丰富。同时，中国作为全球超声设备制造和应用大国，应进一步深入参与IEC/TC87国际标准化活动，积极推进IEC62127系列标准向我国国家标准的转化工作，不断提升我国在全球超声计量标准化事务中的话语权和影响力。参考文献[1]IEC62127-1:2022,Ultrasonics-Hydrophones-Part1:Definitionsandrequirements.Geneva:InternationalElectrotechnicalCommission,2022.[2]IEC62127-2:2022,Ultrasonics-Hydrophones-Part2:Calibrationofhydrophones.Geneva:InternationalElectrotechnicalCommission,2022.[3]IEC62127-3:2022/AMD1:2026,Amendment1-Ultrasonics-Hydrophones-Part3:Propertiesofhydrophonesforultrasonicfields.Geneva:InternationalElectrotechnicalCommission,2026.[4]ISO/IECGuide98-3:2008,