IEC TS 629032023 RLV 超声波.用自互易法测量球面弯曲换能器的电声参数和声输出功率标准立项发展报告

超声波用自互易法测量球面弯曲换能器的电声参数和声输出功率标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Ultrasonics-MeasurementsofElectroacousticalParametersandAcousticOutputPowerofSphericallyCurvedTransducersUsingtheSelf-ReciprocityMethod摘要随着超声技术在医学诊断、工业无损检测、水下声呐及功率超声处理等领域的广泛应用，球面弯曲换能器（sphericallycurvedtransducer）作为核心声学元件，其电声参数与声输出功率的精确测量对于器件性能评估、质量控制及安全监管具有重要意义。然而，球面自聚焦换能器因其特有的几何汇聚特性和非线性声场分布，传统平面换能器测量方法难以直接适用，长期缺乏统一、可复现的国际测量规范。本标准立项发展报告以国际电工委员会（IEC）发布的技术规范IECTS62903:2023RLV为研究对象，系统梳理了该标准的立项背景、技术内容与修订脉络。该标准基于自互易法（self-reciprocitymethod），通过利用压电换能器的可逆性原理，实现了无需标准水听器即可完成对球面弯曲换能器电声参数（包括发送电流响应、接收灵敏度、有效辐射面积等）和声输出功率的绝对测量，有效解决了高频聚焦超声场中空间平均与相位畸变带来的测量难题。本报告详细分析了该标准的适用范围、测量原理、系统配置要求、测量步骤及数据处理方法，并对其技术先进性、国际协调性及推广应用前景进行了全面评估。报告指出，IECTS62903:2023RLV的发布填补了球面弯曲换能器专用测量标准的国际空白，为超声设备制造商、计量检定机构、科研院所及临床医学工程部门提供了权威的技术依据，对推动超声计量体系的完善和超声产业的规范化发展具有重要价值。关键词：超声波；球面弯曲换能器；自互易法；电声参数；声输出功率；国际电工委员会；标准化Keywords:Ultrasonics;Sphericallycurvedtransducers;Self-reciprocitymethod;Electroacousticalparameters;Acousticoutputpower;IEC;Standardization1.引言1.1研究背景超声换能器是实现电能与声能相互转换的核心器件，广泛应用于医学超声成像与治疗、工业无损检测、水下通信与探测、声化学处理等众多领域。其中，球面弯曲换能器（又称球面自聚焦换能器）因其天然的几何聚焦特性，能够将声能量汇聚于焦点区域，在高强度聚焦超声（HIFU）治疗、超声碎石、超声手术刀等医疗应用中发挥着不可替代的作用。然而，球面弯曲换能器的特殊结构和工作特性给其电声参数的精确测量带来了严峻挑战。一方面，球面换能器的聚焦效应使得焦点附近的声场分布极不均匀，声压空间变化剧烈，传统使用平面水听器逐点扫描的测量方法效率低下且精度受限；另一方面，在高频工作状态下，水听器的有限尺寸引起的空间平均效应会带来显著的测量误差。此外，由于球面换能器的声束汇聚特性，其辐射阻抗、有效辐射面积等参数与平面换能器存在本质差异，直接套用传统测量方法和计算公式将导致较大的系统误差。1.2标准立项的必要性在上述背景下，国际电工委员会（IEC）下属的超声技术委员会（IEC/TC87Ultrasonics）自2010年代初便着手推动球面弯曲换能器测量方法的标准化工作。经过多年的技术研讨与实验验证，IEC于2023年6月正式发布了IECTS62903:2023技术规范（第一版），并同步发布了带红线标注的修订版文本（RLV，RedlineVersion），以便用户清晰识别与先前草案版本之间的技术变更。该标准的发布填补了该领域国际标准的空白，为全球范围内球面弯曲换能器的电声参数和声输出功率测量提供了统一的技术依据。2.标准概述2.1标准基本信息-标准编号：IECTS62903:2023RLV-中文名称：超声波用自互易法测量球面弯曲换能器的电声参数和声输出功率-英文名称：Ultrasonics-Measurementsofelectroacousticalparametersandacousticoutputpowerofsphericallycurvedtransducersusingtheself-reciprocitymethod-标准状态：现行-发布机构：国际电工委员会（IEC）-ICS分类号：17.140.50（电声学）-发布日期：2023年6月13日-发布年份：2023-国别：国际组织-语言：英语-标准类型：技术规范（TechnicalSpecification,TS）值得注意的是，该标准为技术规范（TS）而非国际标准（IS），这表明IEC在制定该测量方法时采取了较为审慎的态度，旨在通过技术规范的发布，在较短时间内为业界提供可供参考和验证的测量框架，同时根据实际应用中反馈的问题和经验积累，在适当的时候进一步修订升格为正式国际标准。RLV版本则通过红色删除线和下划线标注方式，清晰呈现了从草案到正式发布版本之间的技术变更情况，极大地方便了用户的对照阅读和变更理解。2.2标准的适用范围本标准适用于采用自互易法对球面弯曲换能器进行电声参数和声输出功率测量的场景。具体而言，其适用范围包括但不限于以下方面：（1）球面自聚焦换能器的发送电流响应（transmittingcurrentresponse）测量；（2）球面自聚焦换能器的接收灵敏度（receivingsensitivity）测量；（3）球面自聚焦换能器的有效辐射面积（effectiveradiatingarea）确定；（4）球面自聚焦换能器的声输出功率（acousticoutputpower）测量；（5）标称工作频率范围内的频率响应特性评估。该标准适用于在液体媒质（通常为去气水或符合特定要求的测试用液体）中工作的球面弯曲压电换能器，其工作频率范围主要覆盖超声频段（通常为0.5MHz至20MHz），涵盖医学诊断超声、治疗超声及工业超声检测的典型频率区间。3.自互易法测量原理3.1自互易法的基本思想自互易法（self-reciprocitymethod）是基于声学互易原理（acousticalreciprocityprinciple）发展起来的一种换能器绝对校准方法。其核心思想在于：对于一个线性、无源的声学系统，如果换能器满足互易条件（即其发送响应与接收响应之间存在确定的关系），则可以利用换能器自身的电声特性来实现参数的绝对测量，而无需依赖标准水听器或标准声源的校准。具体而言，对于球面弯曲压电换能器，当其在电端施加已知的激励电压信号时，换能器将向液体媒质中辐射聚焦超声波；该声波在球面焦点附近汇聚后，经置于焦点处的平面反射器反射，再次返回换能器表面。由于换能器具备可逆性，反射回来的声波将激励换能器产生电信号。通过精确测量激励电信号与接收电信号之间的幅度比和相位差，结合已知的电路参数和声学边界条件，即可反推换能器的电声参数和辐射声功率。3.2自互易法的技术优势与传统的测量方法相比，自互易法在球面弯曲换能器的测量中具有以下突出优势：（1）无需标准水听器：传统测量方法通常需要使用经过校准的标准水听器作为接收器件，而自互易法利用换能器自身作为接收器，从根本上避免了水听器校准误差对测量结果的影响。（2）消除空间平均效应：高频下传统水听器的敏感元尺寸与声波波长相比不可忽略，空间平均效应显著；自互易法采用面平均的测量方式，天然规避了这一问题。（3）适用于聚焦声场：球面弯曲换能器的聚焦声场空间分布复杂，逐点扫描测量极为耗时且精度受限；自互易法通过反射器在焦点处的反射测量，实现了对聚焦声场的整体性评估。（4）测量效率高：自互易法的测量过程可在较短时间内完成，适合批量检测和质量控制场景。3.3测量系统配置要求标准对自互易法测量系统提出了明确的配置要求，主要包括以下组成部分：（1）信号发生与接收系统：应具备产生稳定、可调频的正弦脉冲或连续波激励信号的能力，并能同步采集和精确测量换能器端的输入电压、输入电流以及接收回波信号电压；（2）平面反射器：应具有良好的声反射性能和机械稳定性，反射面平整度需满足相应的精度要求，反射器的尺寸应足以覆盖换能器在焦点处的声束截面；（3）定位与对准系统：应能够精确控制换能器与反射器之间的相对位置和角度，确保声轴对准；（4）水槽与水质处理系统：测量通常在去气水中进行，水温应保持恒定或精确监测，以保证声速和声衰减等参数的准确性；（5）数据采集与处理系统：应具备高速数据采集能力，并配备相应的信号处理软件，用于提取幅度和相位信息并完成参数计算。3.4测量步骤与数据处理标准中规定的测量步骤主要包括以下几个关键环节：第一步：测量系统的准备与校准。包括设备的预热、水的去气处理、温度平衡及反射器的位置校准等。第二步：换能器的安装与对准。将待测换能器安装于定位支架上，调整其位置与角度，确保声轴垂直于反射器平面，且焦点位置落在反射器表面。第三步：激励信号施加与回波信号采集。在指定频率点施加已知幅度的电激励信号，同时采集换能器端的输入电压、电流和接收回波信号。第四步：参数计算。根据自互易原理的理论公式，结合已测得的电学参量和已知的声学边界条件，计算换能器的发送电流响应、接收灵敏度、有效辐射面积及声输出功率等参数。第五步：不确定度评估。标准要求对各项测量结果进行不确定度分析，识别主要不确定度来源并给出扩展不确定度。4.标准的技术要点与创新4.1球面换能器的声场建模标准中对球面弯曲换能器的声场特性进行了详细的理论分析，建立了球面聚焦换能器在焦点附近的声场分布模型。该模型考虑了换能器的几何参数（曲率半径、孔径尺寸）、工作频率、媒质声学特性等因素对聚焦声场的影响，为自互易法测量结果的修正和计算提供了理论基础。4.2自互易参数的修正方法在实际测量中，由于换能器并非理想的互易换能器，其压电材料性能和结构设计会导致一定的非互易性偏差。标准针对这一情况，给出了相应的修正方法和修正系数，有效提高了测量结果的准确性和可靠性。4.3声输出功率的绝对测量声输出功率是衡量超声换能器性能和安全性的关键指标之一。标准中基于自互易法给出了声输出功率的绝对测量方法。该方法避开了传统辐射力天平法需要的大型吸声靶和复杂的水下称重系统，使得测量装置更为紧凑和便捷，尤其适用于高频聚焦换能器的功率测量。4.4不确定度评定框架标准参考了GUM（测量不确定度表示指南）的基本框架，建立了适用于自互易法测量的不确定度评定模型。该模型涵盖了激励源幅度不稳度、电压与电流测量误差、反射器反射系数不确定度、声衰减修正不确定度、温度波动影响、对准误差等多个不确定度来源，为测量结果的可靠性和可比性提供了保障。5.主要参与单位介绍5.1国际电工委员会超声技术委员会（IEC/TC87）IECTS62903:2023RLV由国际电工委员会超声技术委员会（IEC/TC87Ultrasonics）组织制定。IEC/TC87成立于20世纪80年代初，是IEC内部专门负责超声领域标准制定的技术委员会，其秘书处由英国标准协会（BSI）承担，联合秘书处由中国国家标准化管理委员会（SAC）承担。TC87的职责范围涵盖超声学领域中所有测量方法、设备性能要求、安全要求及相关术语标准的制定与修订工作。TC87的工作范围具有鲜明的多学科交叉特征，涉及物理声学、电子学、材料科学、医学工程等多个学科领域。委员会由来自世界各国的专家学者组成，包括来自中国、英国、德国、日本、美国等多个国家的标准化专家、计量学家、超声设备制造商代表及医学临床应用专家。TC87下设多个工作组（WorkingGroup,WG）和维护团队（MaintenanceTeam,MT），分别负责不同细分领域的标准制定工作。其中负责本标准的制定工作主要由WG4（超声场测量工作组）承担，参与单位包括中国计量科学研究院、英国国家物理实验室（NPL）、德国联邦物理技术研究院（PTB）、日本产业技术综合研究所（AIST）等国家级计量机构，以及众多知名超声设备制造企业的技术专家。中国在IEC/TC87中发挥着日益重要的作用。中国计量科学研究院作为中国在超声计量领域的国家级研究机构，长期深度参与TC87的各项标准化活动，在球面弯曲换能器测量方法的研究与验证方面做出了重要贡献。中国专家在自互易法的理论完善、实验验证和不确定度评估方法等方面开展了大量系统性的研究工作，为IECTS62903:2023RLV的顺利发布提供了坚实的技术支撑。此外，TC87组织开展了多轮国际比对实验，通过多个国家实验室间的协同验证，确认了自互易法在不同实验室条件下的可复现性和可靠性。6.标准比对与实施意义6.1与现有标准的协调性分析IECTS62903:2023RLV在制定过程中，注重与现有IEC超声标准体系的协调与衔接。相关标准包括：-IEC61102:超声水听器0.5MHz至15MHz频率范围场测量的校准；-IEC62127-1:超声水听器第1部分：医用超声场的测量与表征；-IEC61161:超声声输出功率的测量辐射力天平法；-IEC62359:超声场表征诊断超声场热指数和机械指数的确定方法。与上述标准相比，IECTS62903:2023RLV的独特之处在于：它专门针对球面弯曲换能器这一特定类型的换能器，提供了一种无需水听器即可实现绝对测量的替代方案。该标准在测量结果的可比性方面，与辐射力天平法和水听器扫描法进行了系统的比对研究，结果表明在适当的测量条件下，三种方法的结果一致性良好，偏差在可接受的范围内。6.2标准的实施意义与应用前景（1）为超声设备制造商提供统一的产品检验依据。球面弯曲换能器广泛应用于医用超声治疗设备，产品质量的一致性直接关系到临床治疗效果和患者安全。本标准提供了一套可靠的出厂检验方法，有助于制造商建立统一的质量控制体系。（2）为计量技术机构提供校准规范。国家计量院和省级计量机构可依据本标准开展球面弯曲换能器的量值传递和校准服务，确保各实验室测量结果的可比性和可追溯性。（3）为科研与临床提供参考基准。高校和科研院所在超声换能器研发过程中，可借助本标准规定的测量方法对新设计的换能器进行性能评估和优化迭代。医疗机构的医学工程部门也可参考本标准对在用治疗设备进行定期性能检测。（4）推动超声计量技术体系国际化。本标准的发布为各国超声计量标准的协调统一创造了条件，有助于消除技术性贸易壁垒，促进超声设备贸易的国际化发展。7.结论与展望IECTS62903:2023RLV（超声波用自互易法测量球面弯曲换能器的电声参数和声输出功率）作为国际电工委员会正式发布的专项技术规范，系统确立了基于自互易原理的球面弯曲换能器测量方法体系。该标准通过充分利用压电换能器的声学互易特性，构建了无需标准水听器的绝对测量方案，有效解决了传统方法在聚焦声场测量中面临的空间平均误差大、测量效率低等关键技术难题。标准中确立的测量系统配置要求、参数计算模型和不确定度评定框架，为球面弯曲换能器的性能评估和质量控制提供了科学、系统的技术路径，填补了该领域国际标准的空白。从技术发展角度而言，自互易法的标准化应用有望进一步扩展至其他类型换能器的测量（如柱面聚焦换能器、相控阵换能器等）。随着超声医学治疗技术的快速发展和新型换能器结构的不断涌现，对测量标准的需求将持续增长。可以预见，IEC/TC87将在总结IECTS62903:2023应用经验的基础上，适时推动该技术规范的修订和升格为正式国际标准（IS），并