IEC 62127-22025 超声波 水听器 第2部分超声波场的校准标准立项发展报告

超声波水听器第2部分：超声波场的校准标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Ultrasonics-Hydrophones-Part2:CalibrationforUltrasonicFields摘要超声波水听器作为超声场测量的核心器件，在医学诊断、工业无损检测、声学计量及科学研究等领域发挥着不可替代的作用。随着超声技术在高端医疗装备、精准治疗及新材料加工等前沿领域的持续深入应用，对超声场校准的精度、可溯源性及国际一致性提出了愈发严苛的要求。国际电工委员会（IEC）于2025年1月正式发布IEC62127-2:2025《超声波水听器第2部分：超声波场的校准》，该标准替代旧版本，系统规定了超声波场校准的术语定义、校准装置技术要求、校准程序及不确定度评定方法，进一步提升了超声场测量的准确性和国际互认水平。本报告在系统梳理该标准立项背景的基础上，深入分析了标准的主要技术内容与核心修订要点，详细介绍了主要起草单位的技术贡献，并对标准发布后在全球范围内的推广应用前景及其对超声计量、医学超声设备质量保障等领域的深远影响进行了展望。本报告认为，IEC62127-2:2025的发布实施将有效促进全球超声计量体系的协调发展，为我国超声计量技术能力和标准体系建设提供重要参考与借鉴。关键词：超声波；水听器；超声场校准；IEC62127-2；计量学；医学超声；国际标准Keywords:Ultrasonics;Hydrophones;Ultrasonicfieldcalibration;IEC62127-2;Metrology;Medicalultrasound;Internationalstandard1引言1.1立项背景超声技术在医学诊疗、工业检测、海洋探测及科学研究等众多领域具有广泛应用。特别是在医学领域，超声诊断与超声治疗已成为现代临床医学不可或缺的技术手段。超声场参数的准确测量直接关系到超声诊断设备的图像质量、超声治疗设备的剂量控制以及超声生物效应的安全性评估。水听器作为将超声信号转换为可测电信号的传感器，是超声场测量中最基本、最核心的计量器具，其校准的准确性和溯源一致性直接决定了超声场测量的可靠性。随着超声换能器技术的快速进步和应用场景的持续拓展，超声场校准面临着新的挑战：高频宽带超声换能器的广泛应用对水听器的频率响应校准提出了更高要求；医用超声治疗设备（如高强度聚焦超声、超声理疗等）对声场参数的空间分辨率和绝对声压测量精度提出了更为严格的标准；此外，新材料、新工艺在水听器制造中的应用也使得水听器性能测试和校准方法需要同步更新。在此背景下，IEC/TC87（超声学技术委员会）组织国际专家对IEC62127-2:2007进行了系统性修订，最终形成了IEC62127-2:2025。1.2标准定位与适用范围IEC62127-2:2025是IEC62127系列标准（《超声波水听器》）的第2部分，该系列标准由以下部分组成：-IEC62127-1：超声波水听器第1部分：医用超声场的测量和特征描述-IEC62127-2：超声波水听器第2部分：超声波场的校准-IEC62127-3：超声波水听器第3部分：水听器性能要求本部分标准规定了频率范围在0.5MHz至15MHz（可扩展至40MHz）的超声场中使用的压电水听器的校准方法及校准要求，适用于水听器的初级校准和次级校准。标准涵盖灵敏度校准、频率响应校准、有效声敏元件尺寸测量及方向性响应测量等技术内容。2标准主要技术内容2.1术语和定义IEC62127-2:2025对超声场校准领域的关键术语进行了明确定义和统一规范，包括但不限于：水听器、声压灵敏度、自由场电压灵敏度、有效声敏元件尺寸、声轴、方向性响应、平面波连续波条件、脉冲波条件、衍射校正等。与旧版本相比，新版本根据超声计量技术发展的需要，补充和完善了部分术语的定义，使之更加准确和严谨。2.2校准方法体系标准将超声场校准方法分为两大类：初级校准和次级校准。（1）初级校准初级校准是通过绝对测量方法确定水听器灵敏度的校准方式，无需依赖其他已校准水听器作为参考。标准详细规定了以下初级校准方法的操作程序和技术要求：-平面扫描法（PlanarScanningMethod）：基于在参考平面内对声场进行空间扫描，结合声场理论计算得到水听器的自由场灵敏度。该方法适用于宽带脉冲超声场的校准，是当前最广泛应用的初级校准方法之一。-自易法（Self-ReciprocityMethod）：利用压电换能器的可逆性原理，通过电声互易关系确定水听器的灵敏度。该方法无需已知参考标准，但需要满足特定的声场条件和电学条件。-对腔校准法（ReciprocityCalibrationinaCoupler）：在封闭声腔中利用互易法原理进行校准，适用于较低频率范围的校准需求。标准对每种方法的适用条件、实验装置要求、操作步骤和数据处理方法均给出了详细的技术规定。（2）次级校准次级校准是通过与已校准的参考标准水听器进行比对来确定待校水听器灵敏度的校准方式。标准规定了次级校准的系统配置要求，包括声源、耦合介质、定位装置、信号采集与处理系统等，并明确了参考水听器和待校水听器在相同声场条件下进行比对测量的操作程序和数据评定方法。2.3校准装置与系统的技术要求为保证校准结果的准确性和复现性，IEC62127-2:2025对校准装置和水听器性能提出了明确的技术要求：-声源系统应具有良好的频率稳定度和幅度稳定度，能够在所需频段内产生稳定的超声场；-定位系统应具备足够的空间分辨率和定位精度，确保水听器有效声敏元件在声场中的精确定位；-信号采集与数字化系统应具有足够的带宽、采样率和幅度分辨率，以满足宽频带超声信号的高保真采集需求；-水听器应具备良好的线性和稳定性，在整个校准频段内的频率响应应满足规定要求。2.4校准不确定度评定测量不确定度的评定是校准工作的核心环节之一。IEC62127-2:2025依据《测量不确定度表示指南》（GUM）的系统框架，对超声场校准中各类不确定度来源进行了系统分析和分类，包括：声场非理想因素引入的不确定度、测量系统电学参数引入的不确定度、水听器自身性能引入的不确定度、环境条件变化引入的不确定度等。标准给出了各类不确定度分量的评定方法和合成方法，要求校准实验室在出具校准证书时给出完整的测量不确定度信息，并明确了扩展不确定度的报告格式。2.5主要技术修订内容与IEC62127-2:2007相比，新版本的主要技术变化包括：（1）对校准频率范围进行了修订和扩展，明确了对高频水听器（>15MHz）校准的补充技术要求，以适应高频超声成像和治疗设备发展需求；（2）增加了对水听器有效声敏元件尺寸测量的详细规定，引入了基于扫描声场分布确定有效声敏元件尺寸的改进方法；（3）补充和完善了校准结果的不确定度评定指南，增加了对非线性传播效应、声束非平面波特性等影响因素的处理方法；（4）更新了规范性附录和资料性附录，增加了校准数据处理的示例和典型校准装置的配置说明。3主要起草单位介绍3.1国际电工委员会超声学技术委员会（IEC/TC87）IEC/TC87（Ultrasonics）是国际电工委员会负责超声学领域标准制定的专业技术委员会，成立于1979年，秘书处设在瑞典（由SEKSvenskElstandard承担）。该技术委员会的工作范围涵盖超声学领域的标准化，包括超声设备、超声系统及其组件的性能测试方法、测量方法和安全要求等。IEC/TC87由来自全球约20余个成员国（含观察员国）的专家组成，下设若干工作组（WorkingGroup）和项目组（ProjectTeam），分别承担不同专业方向的标准制修订工作。其中，与IEC62127系列标准直接相关的工作组包括WG2（水听器与超声场测量工作组）和WG4（医用超声设备性能工作组）等。IEC/TC87与多个国际组织和专业技术委员会保持着密切的合作关系，包括国际计量局（BIPM）下属的声学、超声学与振动咨询委员会（CCAUV）、国际电工委员会TC29（电声学）、TC62（医用电气设备）以及国际标准化组织ISO/TC43（声学）和ISO/TC150（外科植入物）等。NPL是英国国家物理实验室，作为IEC/TC87的积极成员单位，其声学与超声计量团队在IEC62127-2:2025的修订过程中发挥了核心作用。NPL的资深科学家长期担任WG2的召集人或项目负责人，负责协调各成员国专家的技术意见，组织多轮循环比对实验（InterlaboratoryComparison）和国际比对研究，为标准技术内容的科学性和可操作性提供了重要的实验验证支持。NPL超声计量实验室在以下方面为本标准的制修订做出了关键贡献：-标准技术框架的优化：基于数十年超声计量基础研究和应用实践经验，提出了对原标准中校准方法体系的技术改进建议；-校准方法研究：在高频水听器校准、非线性声场校准、脉冲波校准等方面提供了原创性研究成果；-不确定度评定方法论：将现代不确定度评定理论系统引入超声场校准领域，推动了不确定度评定方法的规范化；-比对验证工作：组织并参与了多项国际范围内的水听器校准比对实验，验证了标准所规定校准方法的有效性和可比性。除NPL外，参与本标准制修订工作的重要机构还包括：德国联邦物理技术研究院（PTB）、日本国家先进工业科学与技术研究院（AIST）、中国计量科学研究院（NIM）、美国国家标准与技术研究院（NIST）等。各国国家计量院（NMI）的深度参与，保证了标准内容的科学性、严谨性和国际适用性。4结论与展望4.1主要结论IEC62127-2:2025作为超声计量领域最重要的国际标准之一，体现了当前全球超声场校准技术的最新发展水平。通过本报告的分析，可以得出以下主要结论：第一，超声场校准需求正随着超声技术的快速进步而不断增长和变化。高频、宽带、非线性等新特征的超声场对校准方法提出了更高要求。IEC62127-2:2025顺应了这一发展趋势，对标准技术内容进行了系统修订，为各类超声场的准确校准提供了统一的技术规范。第二，测量不确定度的系统评定已成为现代校准标准的核心内容。IEC62127-2:2025对不确定度评定方法和报告要求的细化，体现了国际计量界“校准结果必须附带不确定度信息”的共识要求，对于提升校准结果的可比性和可信度具有重要意义。第三，IEC62127-2:2025的修订过程充分体现了国际合作的深度与广度。各国国家计量院、研究机构、设备制造商和临床用户的广泛参与，保证了该标准既具有坚实的理论基础，又具有广泛的实践适用性。4.2未来发展展望展望未来，IEC62127-2:2025的发布实施将对全球超声计量体系产生深远影响。在技术发展层面，随着超声成像和治疗技术向更高频率、更复杂模式方向演进，超声场校准技术将持续面临新的挑战。高频水听器校准、三维声场表征、非线性声场测量等方向将是未来标准修订的重点关注领域。在国际协调层面，IEC/TC87将继续与BIPM/CCAUV及各成员国国家计量院保持紧密合作，通过组织国际比对（如BIPMKeyComparison）持续验证各校准方法的国际一致性。我国应积极跟踪和参与相关国际标准的制修订工作，加强与国际计量先进水平的对接。在产业应用层面，IEC62127-2:2025将为超声诊断设备、超声治疗设备、工业超声检测设备的质量控制提供更加科学和规范的技术依据。特别是对于医学超声设备的安全性和有效性评价，该标准的实施将有效促进全球范围内超声诊疗质量水平的整体提升。在中国实践层面，建议国内相关标准化技术委员会（如全国声学标准化技术委员会）和计量技术机构应尽快开展IEC62127-2:2025的转化工作，结合国内超声计量技术和产业发展的实际情况，适时修订对应的国家标准和计量技术规范，推动国内超声场校准技术能力与国际接轨，为国产高端超声装备的自主研发和质量保障提供坚实的计量支撑。参考文献[1]IEC62127-2:2025Ultrasonics-Hydrophones-Part2:Calibrationforultrasonicfields[S].Geneva:InternationalElectrotechnicalCommission,2025.[2]IEC62127-1:2022Ultrasonics-Hydrophones-Part1:Measurementandcharacterizationofmedicalultrasonicfields[S].Geneva:IEC,2022.[3]IEC62127-3:2022Ultrasonics-Hydrophones-Part3:Perf