《高频阵列超声换能器基本电声特性和测量方法》

ICS

CCS

T/SZAMDI

苏州市医疗器械行业协会团体标准

T/SZAMDIXXXX-XXXX

高频阵列超声换能器基本电声特性和测量方法

（征求意见稿）

在提交反馈意见时，请将您知道的相关专利连同支持性文件一并附上。

XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施

苏州市医疗器械行业协会发布

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目次

前言................................................................2

1范围............................................................................3

2规范性引用文件..................................................................3

3术语和定义......................................................................3

4表征参数........................................................................4

5测量条件........................................................................4

5.1测量仪器设备....................................................................4

5.2测量环境及其他条件..............................................................5

6测量方法和步骤..................................................................5

6.1脉冲回波中心频率等的测量........................................................5

6.2阵元串扰........................................................................6

6.3插入损耗........................................................................7

6.4脉冲回波波束宽度................................................................7

6.5阻抗特性........................................................................8

参考文献...............................................................9

1

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高频阵列超声换能器基本电声特性和测量方法

1范围

本标准规定了15MHz-50MHz高频阵列超声换能器基本电声特性的表征参数、测量条件、测量方法

和测量步骤。

本标准适用于超声探头中换能器部分的电声特性和测量方法。

2规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T3102.7声学的量和单位

GB/T2900.86电工术语电学和电声学

GB/T2900.88电工学术语超声学

3术语和定义

GB/T2900.86、GB/T2900.88、GB/T3102.7界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1换能器元件

由特定材料制成，能够将电能转变为机械能又能将机械能转变为电能的元件1。

3.2超声探头ultrasonicprobe

由超声换能器、电屏蔽及机械保护用外壳和一体化电缆等组成的整体的通称。

3.3阵列换能器arraytransducer

由多个换能元件按照一定方式组合、排布成阵列形式的超声换能器。

3.4阵元arrayelement

参与组成阵列式换能器，并作为独立个体参与波束形成的单个换能元件。

3.5脉冲回波最大响应频率maximumresponsefrequencyofpulseecho

由参考平面反射回的第一次脉冲回波频谱中，与最大幅值对应的频率。

符号：fp

单位：赫兹，Hz

3.6脉冲回波中心频率centerfrequencyofpulseecho

由参考平面反射回的第一次脉冲回波频谱中，位于最大幅值两侧，比最大幅值低6dB的两个频率

fh和fl的算数平均值。

符号：fc

单位：赫兹，Hz

3.7串扰crosstalk

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相邻的2个阵元之间的信号相互耦合，是一个阵元振动引起相邻阵元受迫振动而产生的耦合信号和

电缆信号线之间的互感和互容引起线上的噪声信号的总和。

4表征参数

本标准中采用下列参数描述脱机状态下高频阵列超声换能器（以下简称“被测换能器”）的电声特

性：

a)脉冲回波中心频率；

b)脉冲回波相对带宽；

c)脉冲回波持续时间；

d)脉冲回波幅值；

e)阵元性能一致性；

f)阵元串扰；

g)插入损耗；

h)脉冲回波波束宽度；

i)阻抗特性；

除f)、g)条外，均对阵列整个长度内所有阵元进行测量，并取其平均值和偏差范围。

5测量条件

5.1测量仪器设备

(1)信号发生器

信号发生器要求如下：

不窄于0.5MHz-80MHz，连续可调。

(2)脉冲信号发生器DPR500

脉冲信号发生器要求如下：

前沿上升时间：小于10ns

脉冲持续时间：

输出幅度：大于50V；

输出阻抗：50欧

(3)通用示波器

通用示波器要求如下：

采样频率：不低于200MHz

灵敏度：小于5mV/div

通道数：不少于2。

(4)高频衰减器

频率范围：不窄于1Mhz-1GHz

输入输出阻抗：50Ω

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(5)测量水槽和机械调整机构

水槽尺寸：水槽水平方向尺寸应足够大，必要时在其内部放置吸声内衬，

水媒质：应金可能的采用蒸馏水或去离子水，并要时进行除气处理。

能够方便稳妥的夹持被测换能器，并可以实现被测换能器的平移和角度调节。

测量水槽内固定有标准反射体，材质一般为不锈钢，其横向尺寸应不小于被测换能器长度的2倍，

厚度应不下于10mm，其反射面的平整度应不大于0.02mm，粗糙度应小于0.63微米。

5.2测量环境及其他条件

外界的振动、噪声、电磁场等物理因素不至于干扰测量仪器设备的正常工作。

连接被测换能器阵列的电缆应尽可能的符合实际使用条件。

6测量方法和步骤

高频阵列换能器的电声特性测量方法称为频谱分析法

6.1脉冲回波中心频率等的测量

对被测高频阵列换能器，按照图1安装和连接所用仪器设备，其中信号发射和接收电缆可通过阵

元切换电路（可选）连接至被测阵元。

图1频谱分析法测试换能器特性原理图

(1)将被测换能器的发射面正对标准反射体，调节其发射面与反射面之间的距离，为减少水媒质对

高频信号的衰减效应，该距离一般应≤5mm。

(2)观察被测换能器和标准反射体的表面，去除可见的气泡。

(3)按规定操作程序开启各测量仪器。

(4)对被测高频阵列换能器，在阵列上三个不同位置各选择一个阵元，调节换能器角度，使其在示

波器上显示的第一次脉冲回波幅度为最大，且声波往返时间相等。

(5)调节示波器，使其显示的信号仅有第一次回波，测量第一次脉冲回波幅值Umax。

(6)在第一次脉冲回波波形上，对其波形取包络，在包络图上测量比峰值幅度低20dB（幅度为峰

值的10%）的两点间的时间间隔，为被测阵元的脉冲回波持续时间t20。

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图2脉冲回波持续时间波形图

(7)通过频谱分析或计算机分析回波幅值下降6dB处高低两个频率点（fh、fl），按式（1）、式（2）

分别计算中心频率fc和相对带宽BW。

fc=(fh+fl)/2…………………（1）

BW=[(fh-fl)/fc]×100%…………………（2）

图3频谱分析图

(8)依据需要，对阵列换能器的全部阵元重复以上操作和计算。对阵列换能器的全部阵元的性能参

数，至少包括：中心频率fc、回波幅值Umax的一致性能进行分析计算，包括平均值Avg、极差

Ran和标准差Std，计算公式分别如下：

………（3）

𝑨�=(�1+�2+�…3…+…⋯…+…��…)/…n……………………（4）

𝑹�=�𝑚�−�𝑚�

……………………（5）

2222

(𝑨�−�1)+(𝑨�−�2)+⋯(𝑨�−��)

其𝑺�中=、、分别�代表第i个阵元的测量值、最大值和最小值，n代表阵元数。

�𝑚�𝑚�

6.2阵元串扰�2��

按照图4安装和连接所用仪器设备，被测换能器前端浸没于水媒质中，并采取措施尽可能减少声

反射，发射信号电缆连接至被测换能器的指定阵元3。

开启仪器，信号发生器输出频率设置为换能器的中心频率，输出信号为峰峰值5Vpp周期为20的正

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弦波信号。用示波器测量此阵元带载条件下激励信号幅度，此值标为A0。

再用示波器另一通道测量与之相邻的阵元所接收到的受迫信号的幅度，此值标为A，按式（6）计

算出的指定阵元与其最近阵元之间的串扰Ec。

Ec=20lg（A/A0）………………（6）

为满足成像的需求，串扰值应低于-30dB4。

图4高频阵列换能器阵元串扰度测量原理图

6.3插入损耗

收发一体的换能器在实际测试中，通常使用插入损耗IL来表征换能器的灵敏度，插入损耗的定义

为超声换能器的接收电压与激励电压之比，具体公式为

………………（7）

𝑚�−42

测IL试=时20，lg将�𝑜被�+测0换.6能+器2.2的×特1定0阵×元�与×信2号�发(�生�)器连接，设置激励信号为峰-峰值电压5-Vpp，周期

为20的正弦波信号，频率设置为被测换能器的工作频率，同样将换能器放置于去离子、除气水中，反

射靶为抛光的不锈钢板。

在测试过程中，回波信号()利用示波器进行接收，将测试线阻抗设置为1MΩ；再改变测试线阻

抗为50Ω，测试激励信号()。��最��终的测试结果需要考虑环境的损耗，0.6dB为补偿钢板反射体的反射

产生的损失，f为插入损耗�电��源激励电压的频率，d为换能器到反射靶的距离。

6.4脉冲回波波束宽度

阵元的回波波束宽度通过将阵元绕其长度方向的中心线，在一定角度内旋转，接收反射球靶返回的

声波信号得到。

按图5连接各测量单元装置，测试时利用脉冲信号发生器被测换能器的特定阵元进行激励，将反

射球靶分别放置在被测阵元前方1mm、2mm处，通过旋转装置使阵元绕其宽度方向步进旋转，测试每

个位置的回波信号。记下声轴第一回波声压下降12dB处的波束宽度。

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图5脉冲回波波束宽度测量原理图

6.5阻抗特性

按图6安装和连接所用仪器设备，将信号发射电缆连接至指定阵元。被测换能器放入水中，正对

吸声材料来模拟组织负载。

从阻抗分析仪上读出被测阵元最大响应频率对应的等效并联电阻Re和相位Im。

重复上述操作，测试所有阵元的等效阻抗特性。

图6阻抗特性测量原理图

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参考文献

1YY0643-2008T超声脉冲回波诊断性能测试方法

2CANNATAJM,WILLIAMSJA,QIFAZ,etal.Developmentofa35-MHzpiezo-composite

ultrasoundarrayformedicalimaging[J].IEEETransactionsonUltrasonics,Ferroelectrics,andFrequency

Control,2006,53(1):224-36.

3LUKACSM,YINJ,PANGG,etal.PerformanceandCharacterizationofNewMicromachined

High-FrequencyLinearArrays[J].IEEETransactionsonUltrasonics,Ferroelectrics,andFrequencyControl,

2006,53(10):1719-29.

4KIMHH.ARRAYTRANSDUCERSFORHIGHFREQUENCYULTRASOUNDIMAGING

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《高频阵列超声换能器基本电声特性和测量方法》

（征求意见稿）

编制说明

标准起草组

2025年4月

一、目的意义

高频超声一般是指工作频率高于15MHz的超声，是超声技术的前沿领域，

其可以提供更高的空间分辨率和更精准的诊断信息，现在被越来越多的应用在临

床，如皮肤超声、眼科超声、心肌微循环成像、脑机接口电极功能成像以及肿瘤

微循环成像等。此外，新兴的光声成像技术，也是利用高频超声换能器接收组织

在激光作用下发出的超声信号进行成像，在肿瘤、脑功能以及药物代谢等方面得

到重要应用。

高频超声换能器是高频超声成像、光声成像系统的重要组成部分，换能器的

性能直接决定了成像的性能，目前越来越多的企业开始研发和生产高频阵列超声

换能器，因此需要对其电声特性及测试方法进行规范，从而促进产品的标准化生

产和推广。目前现有国家、行业标准不能适用于这类超声换能器的评价，如行业

标准YY/T1089-2007只规定了单阵元换能器的测试方法，2019年制定的标准

YY/T1668-2019虽然对阵列换能器的测试方法进行了定义，但只适用于工作频

率15MHz以下的超声换能器。

本标准提出针对15MHz-50MHz的高频阵列换能器的性能测试方法，其主要

性能参数在参考行业标准和国家标准的基础上，又体现了其特有的性能。例如常

用的水听器测试的方法在高频测试时准确度会降低，本标准参考了脉冲回波法的

测试方法，并对此方法在高频应用进行了规范。

二、预期社会经济效益

国家在《“十四五”医疗装备产业发展规划》中提到我国的医疗装备产业发

展迈入新阶段，同时也面临新机遇、新挑战，现代制造、新一代信息、新材料、

前沿生物等技术与医疗装备技术跨学科、跨领域交融发展提速，但在关键核心技

术等方面还存在短板弱项，其中先进超声探头作为攻关关键零部件列入名单。另

外规划中提到应健全产业基础支撑体系，发挥标准引领，夯实产业发展基础，因

此本项目结合产业发展形势，从标准化的角度研究高频阵列超声性能评价指标的

科学性，促进医疗装备核心零部件的标准化，规范其测试验证方法，为产品制造、

产品质量与可靠性保障等有关设计与验证提供参考。

根据华经产业研究院发布的《2024-2030年中国超声设备行业发展前景预测

及投资战略咨询报告》，2023年全球超声设备市场规模约81.3亿美元，其中亚

太地区是全球超声设备的第一大消费市场，2023年占比高达37.27%。

随着医用超声向精准化和智能化方向演进，部分国产超声设备公司逐步打破

国外高端市场的垄断地位，其中高频阵列超声作为高端超声医疗设备，国产化进

程逐渐加快，制定和完善高频阵列超声换能器的标准是建立高端超声评价体系的

重要环节。

三、工作简况

按照团体标准修订程序的要求，开展《高频阵列超声换能器基本电声特性和

测量方法》团体标准的研制，完成了以下工作。

（一）资料的收集

在标准编制过程中，起草组收集了以下现行的资料：

——YY/T1089-2007单元式脉冲回波超声换能器电声特性测试方法

——YY/T1668-2019阵列式脉冲回波超声换能器的基本电声特性和测量方法

——YY/T1142-2013医用超声设备与探头频率特性的测试方法

——GB/T17252-1998声学100kHz以下超声压电换能器的特性和测量

——JB/T11731-2013无损检测超声相控阵探头通用技术条件

——JB/T12466-2015无损检测超声探头通用规范

——CANNATAJM,WILLIAMSJA,QIFAZ,etal.Developmentofa35-MHz

piezo-compositeultrasoundarrayformedicalimaging[J].IEEETransactionsonUltrasonics,

Ferroelectrics,andFrequencyControl,2006,53(1):224-36.

——LUKACSM,YINJ,PANGG,etal.PerformanceandCharacterizationofNew

MicromachinedHigh-FrequencyLinearArrays[J].IEEETransactionsonUltrasonics,

Ferroelectrics,andFrequencyControl,2006,53(10):1719-29.

——KIMHH.ARRAYTRANSDUCERSFORHIGHFREQUENCY

ULTRASOUNDIMAGING

（二）标准的起草

1.2024年9月-2024年1月，项目组完成标准的前期预研和论证工作，主要

对高频阵列超声换能器的现状和检测测试问题进行调研和分析。

2.2025年1月，项目组正式启动了《高频阵列超声换能器基本电声特性和测

量方法》（制定）团体标准的编制工作，组建标准起草工作组。

3.2025年1月-2025年2月，起草工作组完成资料的收集、分析和研究工作。

经过内部讨论，确立了标准的基本技术内容，形成标准草案稿。

4.2025年6月，起草工作组要求相关专家召开专家研讨会，对标准中的关键

性问题进行了充分讨论，根据研讨会上专家提出的建议及修改方案，对工作组讨

论稿进行梳理和修改，形成征求意见稿。

四、标准编制的原则

该标准的编制主要遵循了普适性和实用性原则。

（一）普适性

该标准的制定目的是针对高频阵列超声换能器（包括领域、标准化对象、产

品、过程和服务）提供具有指导意义的规则。因而，在标准主题内容的设计上，

既考虑了相关产品的共性的原则