IEC TS 629032023 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摘要随着超声诊断与治疗技术的迅猛发展，球面弯曲换能器作为高精度超声系统的核心部件，其电声参数与声输出功率的准确测量对于设备质量控制、临床安全保障及计量溯源至关重要。然而，国际范围内长期缺乏针对该类换能器自互易法测量的统一技术规范，导致不同机构间的测量结果缺乏可比性。IECTS62903:2023《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》由国际电工委员会（IEC）正式发布，系统规定了球面弯曲换能器基于自互易原理的电声参数测量方法、测量条件、计算模型及声输出功率评定规程，填补了该领域的国际标准空白。本报告全面梳理了该标准的立项背景、技术演进脉络、核心内容框架及其行业应用价值，并重点介绍了主要起草单位——英国国家物理实验室在标准制定中的技术贡献，旨在为超声换能器设计制造、计量测试、临床医学应用及标准国际化工作提供参考。关键词：自互易法；球面弯曲换能器；电声参数；声输出功率；国际标准；超声计量Keywords:Self-reciprocitymethod;Sphericallycurvedtransducers;Electroacousticalparameters;Acousticoutputpower;Internationalstandard;Ultrasonicmetrology一、引言1.1研究背景与意义超声技术在现代医学诊断与治疗、工业无损检测、水下探测及功率超声处理等领域获得了广泛应用。其中，球面弯曲换能器以其固有的几何聚焦特性，能够将声能高效汇聚于空间焦点区域，在医学超声成像、高强度聚焦超声（HIFU）治疗、超声碎石及眼科超声手术等场景中发挥着不可替代的作用。聚焦超声系统的输出声功率直接关系到治疗效果与患者安全，因而对换能器电声参数的精确表征成为超声计量领域的核心课题。自互易法（Self-ReciprocityMethod）作为一种基于电声互易原理的绝对测量方法，无需标准水听器即可实现换能器自由场电压灵敏度和声输出功率的绝对测量，具有显著的量值溯源优势。然而，该方法在球面弯曲换能器上的应用涉及聚焦场理论、非线性传播效应、有限尺寸反射板修正等一系列复杂技术问题，长期以来缺乏统一的国际技术规范，致使不同实验室采用各自研制的测量装置和数据处理方法，测量结果的离散度较大，难以实现国际比对与互认。1.2标准立项的必要性随着IEC61157《超声声输出基本标准》对医用超声设备声输出报告要求的日趋严格，以及IEC62127系列标准对水听法测量系统的完善，球面弯曲换能器的自互易法测量规范缺失问题日益凸显。国际电工委员会下属超声技术委员会（IEC/TC87Ultrasonics）经过充分论证，于2018年前后正式启动该技术规范的编制工作，旨在为球面弯曲换能器的电声参数和声输出功率测量提供统一、可复现、可溯源的技术依据。IECTS62903:2023的发布，不仅完善了超声换能器测量标准体系，也为各国超声计量机构开展能力验证与结果互认奠定了坚实基础。二、标准技术发展脉络与立项背景2.1超声换能器测量技术的演进历程超声换能器电声参数的测量方法经历了从近似的替代法到高精度绝对测量法的持续演进。早期阶段，测量主要依赖标准水听器进行相对校准，其精度受限于水听器自身校准的不确定度。20世纪80年代起，基于电声互易原理的互易校准方法逐步发展成熟，为换能器灵敏度的绝对测量提供了新途径。自互易法作为互易校准的一种特殊实现形式，仅需单个换能器配合平面反射器即可完成绝对测量，避免了多个换能器配对带来的系统误差。该方法最初应用于平面换能器，随着聚焦换能器在医学超声中的广泛使用，研究人员逐步尝试将其推广至球面弯曲换能器，涉及聚焦声场中反射波相位修正、衍射补偿等关键技术的深入研究。进入21世纪，多个国家的计量研究机构开展了球面聚焦换能器自互易测量的专项研究，积累了大量实验数据和技术经验。2.2国际标准制定背景IEC/TC87（Ultrasonics）是国际电工委员会负责超声领域标准化的专业技术委员会，其工作范围涵盖医用超声、工业超声及超声计量等方向。在IECTS62903制定之前，该技术委员会已发布了IEC61157（声输出报告要求）、IEC62127（水听器测量系统）等一系列重要标准。然而，针对聚焦换能器的自互易法测量，国际层面仍缺少专门的技术规范。经过成员国多次提案和讨论，IEC/TC87于2018年正式立项编制新技术规范，项目编号为IECTS62903。来自英国、中国、德国、日本、韩国等国家的专家共同参与了起草工作。标准编制过程中，起草组组织了多轮国际实验室间比对试验，验证了所规定测量方法的可行性和复现性。经过五年多的反复讨论与修订，该标准于2023年6月13日正式发布。2.3编制依据与参考文件IECTS62903:2023在编制过程中参考了多项国际标准和关键技术文献，主要包括：-IEC61157:2007《超声声输出基本标准》——规定了医用超声设备声输出的报告要求-IEC62127-1:2007《超声水听器第1部分：医用超声场的测量与表征》——确立了基于水听器的声场测量规范-IEC62127-2:2007《超声水听器第2部分：校准》——规定了水听器的校准方法-IEC62127-3:2007《超声水听器第3部分：水听器特性》——给出了水听器性能参数的评价方法-IEC60565:2006《水声水听器的校准》——提供了低频段水听器校准的参考方法-IEEE790-1989《超声换能器互易校准指南》——建立了互易校准的基础理论框架此外，标准还参考了国际计量局（BIPM）质量咨询委员会超声工作组（CCM/UA）开展的国际比对研究成果，以及多篇关于聚焦换能器自互易测量的学术论文，确保技术方案的先进性和科学严谨性。三、标准主要内容解析3.1标准适用范围与定位IECTS62903:2023属于技术规范（TechnicalSpecification）类文件，适用于球面弯曲换能器在无水负载条件下电声参数和声输出功率的测量。该标准明确规定了测量频率范围、换能器几何尺寸限制以及适用介质的物理条件。具体而言，该标准适用于：-球面弯曲（聚焦）结构的压电换能器；-工作频率覆盖医学超声常用的0.5MHz至15MHz频段；-在水中或等效声学介质中工作的换能器；-需要评估电声效率和输出声功率的聚焦超声系统。3.2自互易法的基本原理自互易法的理论基础是电声互易原理，即线性无源可逆声系统在发射和接收状态下具有互易的传递特性。对于球面弯曲换能器，该方法的核心测量过程包括：1.发射状态测量：将换能器置于水槽中，施加已知电激励信号，测量其输入电功率；2.反射接收测量：在换能器前方特定距离处放置平面反射器，使换能器发射的聚焦声波经反射器反射后返回并被同一换能器接收；3.互易参数计算：依据互易原理建立发射灵敏度与接收灵敏度之间的数学关系，结合已知的电声参数推导出换能器的自由场电压灵敏度。相较于传统双换能器互易法，自互易法避免了配对换能器不一致带来的不确定度贡献，简化了测量装置和操作流程，特别适用于球面聚焦换能器的快速高精度表征。3.3测量系统的技术要求标准对自互易法测量系统提出了明确的技术要求：声学测量环境：测量水槽的尺寸需满足自由场条件，水槽内壁需铺设吸声材料以消除边界反射干扰；水质需经脱气处理以降低气泡对声传播的影响。反射器要求：反射器应具有足够的刚度和平面度，其横向尺寸应至少为声束在反射面处直径的2倍；反射器的声反射系数应在测量频带内已知并可溯源至几何声学计算值。电学测量系统：信号源应具有频率稳定度和输出功率稳定性；电压、电流测量通道的带宽和线性度需满足测量精度要求；功率计应具备宽频带、大动态范围的功率吸收能力。对准与定位系统：换能器与反射器之间的对准精度应控制在波长的数十分之一以内，以保证聚焦声场的轴对称性和测量结果的重复性。3.4数据处理与不确定度评估标准在附录中给出了详细的数据处理流程，包括：-聚焦声场传播路径的修正算法；-有限距离反射条件下的近场校正；-换能器有效面积的等效参数估算；-非线性传播效应的线性近似修正。在不确定度评估方面，标准建议依据《测量不确定度表示指南》（GUM）建立不确定度预算，识别主要不确定度来源，包括水中声速误差、反射系数不确定度、电功率测量偏差、对准误差、温度漂移等，并推荐了各分量的典型参考值。通过合理的不确定度合成，可获得扩展不确定度（k=2）约为±8%~±12%的测量结果，满足医学超声设备声输出报告的工程需求。四、主要起草单位——英国国家物理实验室IECTS62903:2023的制定凝聚了多个国际顶尖计量机构与科研团队的智慧与经验。其中，作为该标准核心起草单位之一的英国国家物理实验室（NationalPhysicalLaboratory,NPL）在技术方案的提出、实验验证和标准文本编写方面发挥了举足轻重的作用。4.1机构概况与历史沿革英国国家物理实验室创立于1900年，坐落于伦敦附近泰丁顿（Teddington）校区，是英国国家计量院，也是全球历史最悠久、规模最大的国家计量机构之一。作为英国商业、能源和产业战略部（BEIS）下属的官方计量机构，NPL承担着建立、保存和传递英国国家计量基标准的使命，并在国际计量局（BIPM）框架下代表英国参与国际计量事务。NPL拥有超过120年的科研积淀，在声学计量、超声物理、材料表征等众多领域均处于国际领先地位。实验室现有科研人员及技术人员逾千人，其中声学与超声计量团队是该机构最具国际影响力的研究方向之一。4.2在标准制定中的核心技术贡献在IECTS62903:2023的编制过程中，NPL超声计量团队主要贡献体现在以下方面：（一）自互易理论模型的扩展与完善NPL团队在传统平面换能器自互易理论的基础上，针对球面弯曲换能器的聚焦声场特性，系统建立了包含曲率半径、有效辐射面积和聚焦增益等参数在内的广义互易模型。该模型充分考虑了声束在聚焦区的相位分布和衍射效应，为球面弯曲换能器的绝对灵敏度测量提供了精确的计算框架。（二）实验装置的研制与验证NPL搭建了专用的自互易法测量实验平台，包含高精度水槽温控系统、六自由度自动对准机构和宽带电学测量模块。基于该平台开展的大量实验研究表明，自互易法测量的重复性优于±3%，与独立水听器法的比对偏差在±5%以内，验证了标准方法的可行性和可靠性。（三）国际比对的组织与实施在标准制定过程中，NPL联合中国计量科学研究院（NIM）、德国联邦物理技术研究院（PTB）、韩国标准科学研究院（KRISS）等国家计量机构，组织了球面弯曲换能器声输出功率测量的国际实验室间比对。比对结果展现了良好的一致性，为标准中测量不确定度指标的确定提供了关键数据支撑。（四）标准文本的起草与修订NPL专家作为项目负责人和联合编辑，牵头完成了标准各章节的起草工作，包括范围界定、术语定义、测量原理、装置要求、操作流程和报告格式等技术内容的全面编写。同时，NPL在标准征求意见和最终投票阶段积极协调各方意见，推动标准内容的持续优化和技术共识的达成。4.3在超声计量领域的持续影响力NPL在超声计量领域的影响力不局限于IECTS62903的编制。该实验室长期深度参与IEC/TC87各项标准的制修订工作，主导或参与了IEC61157、IEC62127系列等多项核心国际标准的制定，持续引领着医用超声计量技术的国际发展方向。此外，NPL还依托其完善的校准服务体系和国际合作网络，为全球数十个国家的超声设备制造商和医疗机构提供高精度校准服务和测量技术培训，在国际超声计量领域树立了权威地位。五、标准应用价值与行业影响5.1在医学超声领域的应用价值IECTS62903:2023的发布对医学超声领域具有重要的推动作用：其一，提升声输出报告数据的可靠性。HIFU治疗系统、超声手术设备等通常采用球面弯曲换能器作为核心部件，其声输出功率直接影响治疗效果和安全性。该标准为制造商提供了一套独立的、不依赖水听器的绝对测量手段，能够有效验证和交叉校验产品声输出指标。其二，促进国际比对与质量互认。通过统一的测量规程和不确定度评估方法，不同国家和机构对同一型号换能器的测量结果可比性显著提升，为医疗器械国际贸易中的质量互认扫清了技术障碍。其三，推动超声治疗技术的规范化发展。随着精准超声治疗技术的临床推广，对聚焦换能器输出功率的精确控制要求日益提高。该标准为临床质量保证程序和定期性能检测提供了可靠的技术工具。5.2在工业超声与科学研究中的延伸应用除医学应用外，该标准所确立的自互易法测量框架同样适用于工业超声检测、功率超声处理、水下声学计量以及超声换能器研发等广泛领域。科研人员可以参照该标准的方法学框架，针对不同的换能器构型和工作条件进行适应性扩展，从而推动自互易法在更广阔声学场景中的应用。5.3标准体系的衔接与协同IECTS62903:2023与现有的IEC超声标准体系形成了良好衔接：在声输出报告层面，该标准为IEC61157所要求的声输出参数提供了一种独立验证手段；在测量不确定度传递链条中，该标准作为绝对测量方法可为IEC62127系列中水听器法的校准提供交叉验证基准。这一协同效应增强了整个超声计量标准体系的完整性和技术一致性。六、结论与展望IECTS62903:2023《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技术规范，系统解决了球面弯曲换能器自互易法测量的标准化问题，填补了该领域的国际标准空白。该标准基于电声互易原理，建立了无需标准水听器即可实现换能器绝对测量的技术规程，为聚焦超声系统的电声参数表征和声输出功率评定提供了统一、可溯源、可复现的技术依据。从技术层面看，该标准的发布标志着超声计量方法学从平面换能器向聚焦换能器的重大拓展，反映了国际超声计量界在复杂声场绝对测量领域的最新研究成就。从应用层面看，该标准为医用超声设备制造商、计量技术机构、临床质量控制和监管审查提供了权威的技术参考，对保障超声诊疗设备的安全性和有效性具有重要意义。展望未来，随着超声治疗技术的持续创新和多模态超声成像系统的快速发展，对换能器电声参数精确测量的需求将不断增长。IECTS62903:2023所确立的方法学框架有望在以下方向持续深化：一是向更高频率和更小尺寸的换能器拓展，以适配高频显微超声和内窥超声的应用需求；二是与非线性声学测量方法的进一步融合，实现在高声强工作条件下换能器输出特性的精确表征；三是结合数字化测量和人工智能数据处理技术，发展智能化、自动化的自互易测量系统和实时性能监测方案。可以预见，在IEC/TC87的技术框架下，自互易法测量标准体系将不断完善，为全球超声技术的安全、规范和可持续发展提供更加坚实的标准化支撑。参考文献[1]IECTS62903:2023,Ultrasonics-Measurementsofelectroacousticalparametersandacousticoutputpowerofsphericallycurvedtransducersusingtheself-reciprocitymethod[S].Geneva:InternationalElectrotechnicalCommission,2023.[2]IEC61157:2007,Ultrasonics-Requirementsforthedeclarationoftheacousticoutputofmedicaldiagnosticultrasonicequipment