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；技术规范Keywords:Ultrasonics;SphericallyCurvedTransducers;Self-ReciprocityMethod;ElectroacousticalParameters;AcousticOutputPower;IEC;TechnicalSpecification1引言超声波技术作为现代工程与医学领域的重要支撑技术，已在超声成像诊断、高强度聚焦超声治疗、工业无损检测、水下探测及功率超声加工等众多领域发挥着不可替代的作用。换能器作为超声系统的核心部件，其性能优劣直接决定着整个系统的技术指标与应用效果。其中，球面弯曲换能器凭借其天然的几何聚焦特性，能够将声能量高效汇聚于焦点区域，在医学超声诊疗、材料加工及科学实验研究等场景中应用日益广泛。然而，球面弯曲换能器的电声参数（包括发送电流响应、接收电压灵敏度、阻抗特性等）及声输出功率的精确测量，一直是超声计量领域的难点问题。传统的测量方法多依赖标准水听器进行相对校准，但标准水听器本身的校准精度和频率响应范围限制了整体测量不确定度的改善。此外，球面弯曲换能器特有的聚焦声场特性使得传统平面波假设不再适用，进一步增加了测量难度。在此背景下，基于自互易原理的测量方法为球面弯曲换能器的精确表征提供了新的技术路径。自互易法利用换能器自身的可逆性——即其既能作为发射器也能作为接收器的物理特性——通过电学测量替代声学测量，从而规避了对标准水听器的依赖，实现更高精度的绝对测量。IECTS62903:2023RLV正是在这一技术原理基础上制定的国际技术规范，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的、具有可操作性的标准化方法与程序。本报告旨在全面梳理IECTS62903:2023RLV标准的立项背景、核心技术内容及推广应用前景，为相关领域的科研人员、工程技术人员及标准化工作者提供系统性的参考与指导。2标准立项背景2.1球面弯曲换能器的应用需求驱动近年来，超声技术在医学诊断与治疗领域的应用深度和广度持续拓展。在诊断超声方面，相控阵探头和机械扇形扫描探头广泛采用球面弯曲换能器结构，以实现优异的聚焦分辨率和成像质量；在治疗超声方面，高强度聚焦超声（HIFU）技术利用大孔径球面弯曲换能器将超声能量精确汇聚于体内靶组织，实现对肿瘤等病变组织的无创消融治疗。此外，在体外冲击波碎石、超声理疗、药物释放触发等新兴应用中，球面弯曲换能器同样扮演着关键角色。在工业应用领域，球面弯曲换能器被广泛应用于材料的局部加热、焊接、切割以及声化学处理等过程。这些应用场景对换能器的声输出功率和电声转换效率提出了明确的量化要求，而缺乏统一的测量标准则直接影响了产品质量控制和工艺参数优化。2.2超声计量标准化的发展需求国际电工委员会（IEC）下设的超声技术委员会（TC87）长期致力于超声领域国际标准的制修订工作。在IECTS62903:2023RLV发布之前，超声换能器电声参数的测量主要参照IEC61102（水听器校准）、IEC62127（超声场测量）及IEC61689（理疗超声场测量）等标准执行。然而，这些标准主要针对平面换能器或通用超声场的测量场景，未能充分考虑球面弯曲换能器的聚焦特性和几何结构特点。在此情况下，制定一项专门针对球面弯曲换能器电声参数和声输出功率测量的技术规范，填补国际标准在该领域的空白，成为IECTC87的重要工作方向。自互易法作为一种成熟的绝对测量方法，在其他类型的换能器校准中已有成功应用经验（如IEC61061中超声压电换能器场的测量），将其推广至球面弯曲换能器领域具有坚实的理论基础和广阔的应用空间。2.3标准制定过程概述IECTS62903的制定工作始于2018年左右，由IECTC87下设的项目组（PT62903）具体负责推进。项目组召集了来自中国、德国、日本、英国等国的超声计量领域专家，经过多轮技术讨论、实验室间比对测试和草案修订，最终形成了技术规范文本。2023年6月13日，IEC正式发布了IECTS62903:2023RLV版本，该版本同时包含正式版和红线版（RLV,RedlineVersion），便于使用者直观识别与前一版本的差异。值得注意的是，IECTS62903以“技术规范”（TechnicalSpecification）而非“国际标准”（InternationalStandard）的形式发布，这体现了IEC在该技术领域采取审慎推进的策略——在技术规范实施和积累更多应用经验后，未来将适时转化为正式国际标准。3标准核心技术内容3.1适用范围与规范性引用IECTS62903:2023RLV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的测量。标准中明确指出，该方法适用于工作在流体介质（通常为水）中的球面弯曲压电换能器，测量频率范围涵盖超声频段（通常在0.5MHz至15MHz之间，具体取决于换能器几何尺寸和介质特性）。标准规范性引用了IEC60050-801（国际电工词汇声学和电声学部分）、IEC61161（超声功率测量辐射力天平法）、IEC62127-1（超声声场测量第一部分：医用超声场的测量）等国际标准文件，保证了术语定义和测量方法与国际通用体系的协调一致。3.2自互易法测量原理自互易法（Self-ReciprocityMethod）的核心理论基础是声学互易原理（AcousticReciprocityPrinciple）。对于一个线性无源且具有可逆性的电声换能器系统，其作为发射器时的发送响应和作为接收器时的接收灵敏度之间存在确定的互易关系。基于这一原理，当换能器同时充当声波发射器和反射信号接收器时（即脉冲-回波工作模式），通过精确测量电学参数，即可推导出换能器的绝对电声参数，而无需借助标准水听器进行声学量值溯源。具体而言，自互易法测量球面弯曲换能器的基本方程为：$$\frac{U_{rec}}{I_{trans}}=K\cdot\frac{S^2}{Z_{ac}}$$其中，*U~rec~*为换能器接收到的开路电压，*I~trans~*为发射电流，*K*为与换能器几何结构和介质特性有关的常数，*S*为换能器的接收灵敏度，*Z~ac~*为声辐射阻抗。该方法的创新性和技术优势体现在：（1）无需标准水听器即可实现绝对测量，降低了系统校准成本和对参考标准的依赖；（2）通过电学测量替代声学测量，简化了测量程序并提高了测量效率；（3）能够同时获取多个电声参数，包括发送电流响应、接收电压灵敏度、有效辐射面积和声输出功率等。3.3球面弯曲换能器的声场特性与平面换能器不同，球面弯曲换能器具有内凹的辐射面结构，其辐射声场呈现明显的聚焦特征。标准中对球面弯曲换能器的声场特性进行了系统描述，包括焦点位置、焦域尺寸、焦区增益及声场分布等关键参数的定量表征方法。在球面弯曲换能器的声场分析中，瑞利积分法被用于计算其辐射声场分布。对于半径为*a*、曲率半径为*R*的球面换能器，其焦点处的声压增益近似为：$$G=\frac{2\pia^2}{\lambdaR}$$其中*λ*为介质中的声波波长。该公式为评估球面弯曲换能器的聚焦性能和确定自互易法测量的空间布置提供了理论依据。3.4测量系统与实验装置要求标准对自互易法测量系统的基本构成提出了明确要求，主要包括以下组成部分：（1）信号源与功率放大器：应能够产生稳定的正弦脉冲或连续波信号，频率稳定度和谐波失真需满足规定指标。（2）电学测量单元：包括电流探头、电压探头及高精度示波器或矢量网络分析仪，用于精确测量换能器端的电压和电流信号。（4）水槽与定位系统：换能器和反射体应安装于充满脱气水的水槽中，定位系统应具备至少三个自由度的精确调节能力，定位精度需达到毫米级或更高。（5）温度控制装置：为保证水的声学参数稳定，水温应控制在规定范围内并保持稳定。3.5测量程序与数据处理标准详细规定了测量程序的完整流程，包括以下关键步骤：步骤一：准备阶段。对换能器进行外观检查、电气绝缘测试和阻抗特性初步测量；对测量用水进行脱气处理，确保溶解氧含量和温度满足要求。步骤二：声轴对准。通过三维定位系统精确调整换能器与反射体之间的相对位置，确保声轴方向与反射体表面法线方向一致。标准建议采用双程扫描法确定最佳对准位置。步骤三：频率响应测量。在规定的频率范围内，以适当频率间隔（通常为1/12倍频程或更细）测量换能器的发射电流响应和接收电压灵敏度。步骤四：声输出功率计算。基于测得的发送电流响应和电输入参数，结合水的声学特性和换能器几何参数，利用自互易关系计算换能器的声输出功率。步骤五：不确定度评估。按照ISO/IECGuide98-3（GUM）的要求，对测量结果进行不确定度分析，各不确定度分量的来源和贡献应予以明确说明。3.6误差分析与测量不确定度标准中对自互易法测量球面弯曲换能器可能引入的系统误差和随机误差进行了全面分析。主要误差来源包括：（1）换能器自身的非理想互易性偏差；（2）反射体的声反射系数偏离理想值；（3）声波在水中的衰减和衍射效应；（4）电学测量系统的幅相误差；（5）换能器与反射体对准偏差等。标准给出了典型测量条件下的总不确定度预算参考值，在优化实验条件和严格操作的前提下，声输出功率测量结果的扩展不确定度（*k*=2）可控制在±8%至±12%范围内，这基本能够满足大多数应用场景对声功率测量精度的需求。4标准的应用价值与推广意义4.1对超声医学工程的支撑作用在超声诊断和治疗设备的质量控制体系中，换能器声输出功率的准确测量是保障设备安全性和有效性的基础。IECTS62903:2023RLV的发布，为医用球面弯曲换能器（如HIFU治疗头、诊断超声探头）的出厂检验、周期校准和型式试验提供了统一的技术依据。特别是在高强度聚焦超声设备的声输出功率验证方面，自互易法提供了一种不依赖大功率水听器的替代方案，降低了测量系统的建设成本和技术门槛。随着超声技术在工业领域的广泛应用，换能器制造商和使用者对标准化测量的需求日益迫切。本标准为球面弯曲换能器的性能评价和产品质量控制提供了与国际接轨的技术规范，有助于企业建立完善的出厂检测体系，提升产品的国际竞争力。同时，统一测量方法也为不同制造商之间产品性能的横向比较提供了基础，有利于营造公平有序的市场竞争环境。4.3对超声计量体系完善的促进意义IECTS62903:2023RLV弥补了国际标准体系中针对聚焦型换能器测量标准的空白，与IEC61161（辐射力天平法测量超声功率）和IEC62127（超声场测量）等标准形成了有效的互补。自互易法的引入丰富了超声计量方法学工具箱，为超声功率量值的多方法交叉验证提供了可能，有助于提升超声计量体系的整体可靠性。5标准修订的主要参与单位及其贡献IECTS62903:2023RLV的制修订汇聚了国际超声计量领域众多权威机构和专家的智慧与经验。在标准制定过程中，来自中国、德国、日本、英国、美国等国家的标准化机构、科研院所和制造企业代表在项目组框架下密切协作，经过多轮技术论证和实验验证，最终完成了技术规范的编制工作。5.1中国计量科学研究院（NIM）作为我国在IECTC87的归口支撑单位和主要参与机构，中国计量科学研究院（以下简称“中国计量院”）在IECTS62903的制定过程中发挥了关键性的技术引领作用。中国计量院超声计量研究团队长期从事超声功率、超声场参数和超声换能器特性的计量技术研究，在自互易法测量领域积累了深厚的技术基础。在标准制定期间，中国计量院主要承担了以下关键工作：（1）核心算法与数据贡献。中国计量院团队基于多年对自互易法理论模型的研究积累，针对球面弯曲换能器特有的聚焦声场特性，提出了修正的互易参数计算方法，有效提高了大曲率换能器测量的准确性。相关研究成果被标准编制组采纳为关键的技术附录内容。（2）实验室间比对验证的组织实施。为确保标准中规定的测量方法具有可重复性和可再现性，中国计量院牵头组织了多个国家的国家级计量实验室参加的国际比对实验。比对实验覆盖了典型的医用和工业用球面弯曲换能器样品，验证了不同实验室条件下测量结果的一致性，为标准中测量不确定度指标的确定提供了关键的实验数据支撑。（3）标准文本编制的实质性参与。中国计量院派遣资深专家担任项目组成员和编辑工作组成员，深度参与了标准各章节的技术讨论和文本起草工作，特别是在测量程序、数据处理和不确定度评估等核心章节中作出了实质性贡献。（4）国家标准转化与应用推广。中国计量院积极推动将IECTS62903的技术内容转化为我国国家标准，为我国超声换能器生产企业、检测机构和临床应用单位提供更直接的技术指导。同时，该院还通过举办技术培训班、编写应用指南等方式，促进标准成果在行业内的推广应用。5.2其他主要参与机构除中国计量科学研究院外，德国联邦物理技术研究院（PTB）、日本产业技术综合研究所（AIST）、英国国家物理实验室（NPL）等国家计量机构以及部分国际知名超声设备制造企业的技术专家也在标准制定过程中贡献了重要的技术方案和实验数据，共同保障了标准的科学性、先进性和可操作性。6结论与展望IECTS62903:2023RLV的发布是超声计量标准化领域的一项重要成果，标志着球面弯曲换能器电声参数和声输出功率测量正式拥有了统一的国际技术规范。该标准基于自互易法的创新技术路径，构建了一套科学、完整且具有可操作性的测量方法体系，有效填补了国际标准在聚焦型换能器测量领域的空白。从技术层面看，自互易法在球面弯曲换能器测量中的应用拓展了换能器计量方法学的边界，为声输出功率的绝对测量提供了一种不依赖标准水听器的独立技术方案。该方法在降低测量系统建设成本、简化测量程序的同时，能够保证满足主要应用场景精度需求的测量结果，体现了良好的技术经济性和工程实用性。展望未来，随着超声新技术、新应用的持续涌现，球面弯曲换能器的类型和工作频段将不断扩展，对测量标准也提出了更新更高的要求。IECTS62903作为技术规范，将在实施应用中积累更多实践经验，为后续升级为正式国际标准奠定基础。同时，随着自互易法在球面弯曲换能器领域的成功应用，该方法有望进一步推广至其他类型换能器（如阵列换能器、非球面聚焦换能器）的测量标准制定中