ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИИ

ХАРАКТЕРИСТИКИ И ГРАДУИРОВКА ГИДРОФОНОВ ДЛЯ РАБОТЫ В ЧАСТОТНОМ ДИАПАЗОНЕ от 0,5 до 15 МГц

ГОСТ 8.555-91 (МЭК 866-87)

Издание официальное

КОМИТЕТ СТАНДАРТИЗАЦИИ И МЕТРОЛОГИИ СССР Москва

УДК 681.883 : 006.354    Группа    Т88.9 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

Государственная система обеспечения единства измерений ХАРАКТЕРИСТИКИ И ГРАДУИРОВКА ГОСТ ГИДРОФОНОВ ДЛЯ РАБОТЫ В ЧАСТОТНОМ ДИАПАЗОНЕ ОТ 0,5 ДЬ 15 МГц 8.555—91 Characteristics and calibration of (МЭК 866-87) hydrophones for operation in the frequency range 0 5 MHz to 15 MHz ОКСТУ 6329

Дата введения 01.07.92

1. ОБЛАСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

Настоящий стандарт распространяется на гидрофоны, в которых применяются пьезоэлектрические чувствительные элементы, предназначенные для измерения параметров импульсных и непрерывных ультразвуковых полей, генерируемых ультразвуковым медицинским оборудованием в частотном диапазоне от 0,5 до 15 МГц.

Стандарт устснавливает требования к конструкции и исполнению стандартных гидрофонов, а также значениям, необходимым для определения их рабочих характеристик, и определяет стандартный метод измерения чувствительности таких гидрофонов.

Стандарт не распространяется на гидрофоны, изготовленные исключительно для обнаружения ультразвуковых импульсов или бурстов (тоновых посылок).

Издание официальное

© Издательство стандартов, 1992 Настоящий стандарт ие может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен без разрешения Госстандарта СССР

С. 2 ГОСТ 8.665-91

2. ЗАДАЧИ

2.1.    Определить рабочие характеристики гидрофонов.

2.2.    Разработать схему определения параметров гидрофонов.

2.3- Описать процедуру градуировки гидрофонов.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЯ

3.1.    Свободное поле — звуковое поле в однородной и изотропной среде, в которой влияние границ пренебрежимо мало.

3.2.    Дальнее поле — звуковое поле на таком расстоянии от источника, где мгновенные значения звукового давления и колебательной скорости практически совпадают по фазе.

Примечание. В дальнем поле звуковое давление создается сферическими волнами, расходящимися от точки, находящейся на излучающей поверхности или вблизи нее Таким образом, давление, создаваемое источником звука, обратно пропорционально расстоянию от источника.

3.3.    Акустический центр — точка на преобразователе или вблизи него, на достаточном удалении от которой излучаемые преобразователем сферические звуковые волны кажутся исходящими из этой точки.

3.4.    Гидрофон (или приемник)—преобразователь, на выходе которого возникает электрический сигнал под действием распространяющихся в воде акустических сигналов.

Примечание. Гидрофоны, используемые для измерения высокочастотных ультразвуковых полей, состоят из тонкого пьезоэлектрического элемента, кот. рый монтируют на конце иглоподобного датчика Активный элемент обычно не превышает 1,0 мм в диаметре Этот тип гидрофона, определяемый термином «иидрофон», рассматривается в настоящем стандарте. Если же возникает необходимость сказать о более крупном преобразователе, используемом в качестве гидрофсиа, то в этих случаях применяется и термин «приемник:».

3.5.    Обратимый преобразователь — преобразователь, который может работать в качестве гидрофона или излучателя; последний представляет собой устройство, которое преобразует электрические сигналы в звуковые.

3.6.    Взаимный преобразователь — линейный, пассивный и обратимый преобразователь.

3.7.    Напряжение холостого хода гидрофона — напряжение, которое появляется на выходе гидрофона при отсутствии тока через выводы.

Обозначение: U, единица измерения: вольт, В.

Примечание В настоящем стандарте все значения напряжений, токов и звуковых давлений (если это специально не оговорено) представлены в виде средних квадратических значений.

3.8.    Чувствительность гидрофона в свободном поле — отношение напряжения холостого хода гидрофона к звуковому давлению

ГОСТ 8.555-91 С.З

в месте расположения акустического центра гидрофона в невозмущенном свободном поле плоской волны, которое существовало бы в отсутствии гидрофона.

Обозначение: М, единица измерения: вольт на паскаль, В/Па.

Примечание. Давление может быть или синусоидальным, или шумовым, отфильтрованным в узкой полосе среднего геометрического между границами частотной полосы, рассматриваемой как данная частота. Частота и условия на выходе, к которым относится чувствительность, должны быть определены.

3.9.    Уровень чувствительности в свободном поле — двадцатикратный десятичный логарифм отношения чувствительности в свободном поле М к опорному значению чувствительности M_ref Единица измерения: децибел, дБ.

Примечание. Af ref = 1 В/мкПа.

3.10.    Передаточная характеристика по току излучателя на данной частоте — это отношение акустического давления в звуковой волне, в определенной точке, при отсутствии явлений интерференции, к току на входе.

Обозначение: S, единица измерения: паскаль на ампер, Па/А.

3.11.    Коэффициент взаимности J — отношение чувствительности преобразователя в свободном поле к его передаточной характеристике по току S для любой системы, в которой взаимный преобразователь действует как излучатель и приемник.

Если распространяющиеся звуковые волны аппроксимируются плоскими волнами, коэффициент взаимности принимает значение 2А/рс и является коэффициентом взаимности для плоской волны. Обозначение: /, единица измерения: ватт на паскаль в квадрате, Вт/Па²-

Примечание. Коэффициент взаимности для плоской волны применяется к распространению плоской волны, реализуемой в дальнем поле преобразователя, но чистые условия дальнего поля не используются при калибровке по п. 7.3.6 Вследствие этого введен поправочный коэффициент (см. п. 7.2 3), который включает допуски для отклонений от условий плоской волны.

3.12.    Диаграмма направленности гидрофона—обычно представляемая графически зависимость чувствительности гидрэфона от направления распространения плоской звуковой волны в заданной плоскости, проходящей через акустический центр преобразователя, и на данной частоте.

3.13.    Сопротивление утечки на конце кабеля — отношение напряжения на выводах кабеля гидрофона к постоянному току, проходящему через них.

Обозначение: Rl , единица измерения: Ом.

3.14.    Механическая добротность (Q) элемента гидрофона — отношение, резонансной частоты к ширине полосы между двумя частотами, при которых полный импеданс излучения гидрофона равен 1/1^2 импеданса на резонансе, как показано на черт. 1.

с. 4 ГОСТ 8.555-91

4. ОБЩАЯ ЧАСТЬ

Настоящий стандарт определяет условия измерения высокочастотных ультразвуковых полей в жидкостях, в частности, измерения пространственного и временного распределений давления в полях, излучаемых медицинскими ультразвуковыми преобразователями в частотном диапазоне от 0,5 до 15 МГц.

4.1.Выбор метода измерения

Известные и описанные физические методы для количественной оценки полей, генерируемых высокочастотными преобразователями, используемыми в медицинском ультразвуковом оборудовании, применяются для измерений в ультразвуковых полях, излучаемых преобразователями в наполненных водой измерительных бассейнах. Такие методы обеспечивают измерения абсолютных значений локальных или пространственно усредненных определенных параметров ультразвукового поля (например интенсивности, колебательной скорости или амплитуды давления).

Эти методы позволяют проводить измерения в основных единицах физических величин, таких как масса, время и длина. Эти методы также включают измерение силы акустического излучения, использование определенных акустооптических эффектов, калориметрии и измерение посредством методов взаимности. Для полной количественной оценки ультразвукового поля необходимо проводить измерения с достаточной разрешающей способностью как во временной, так и в пространственной областях с тем, чтобы по-

ГОСТ 8.655-91 С. 5

лучить точную и детальную структуру описываемого поля. Для полей с частотными компонентами до 15 МГц требуемые пространственная и временная разрешающие способности имеют* порядок значений 0,1 мм и 0,06 мкс соответственно.

4.2.    Основы рекомендаций

Настоящий стандарт рекомендует количественно определять медицинские ультразвуковые поля при помощи гидрофонов, которые позволяют измерять мгновенное акустическое давление в любой точке поля. В настоящее время такие гидрофоны обеспечивают наиболее удобный и универсальный метод описания пространственного и временного поведения ультразвуковых полей и позволяют наиболее точно и полно определять параметры поля.

4.3.    Влияние конечного размера гидрофона

Активный элемент гидрофона генерирует напряжение на своих

электродах, пропорционально среднему акустическому давлению, воздействующему на его поверхность. Если требуется получить хорошее пространственное разрешение, необходимо, чтобы зонд был мал по сравнению со шкалой пространственных изменений давления и небольшим по сравнению с длиной волны наивысшей компоненты частоты в измеряемом ультразвуковом поле. Действующее на чувствительной поверхности гидрофона акустическое давление искажается дифракцией на самом гидрофоне.

Примечание Если зонд сконструирован таким образом, что достаточно хорошо определены размеры его активного элемента, можно устранить зависим JCTb от эффектов усреднения и дифракции зонда при определенной длине волны путем деконволюции (обратной свертки), основанной на известных размерах активного элемента Метод обратной свертки особенно важен в верхней части частотного диапазона, о котором говорится в настоящем стандарте, где акустическая длина волны в воде (0,1 мм при 15 МГц) скорее всего мала по сравнению с размерами элемента гидрофона

4.4.    Градуировка гидрофона

Для количественного измерения гидрофоны необходимо градуировать или путем определения их выходного напряжения при помещении их в известное акустическое поле, или методом взаимности. Метод градуировки, предлагаемый в настоящем стандарте, заключается в том, что гидрофоны помещают в известное акустическое поле, создаваемое вспомогательным преобразователем, отградуированным методом самовзаимности. ¹

С. 6 ГОСТ 8.555-91

каждого стандартного устройства. Тем не менее два класса гидрофонов, которые применяются в целях стандартизованных измерений, должны быть определены. Эти классы, как указано ниже, различаются по их основному назначению.

Класс А включает отградуированные точные гидрофоны, необходимые для полной количественной оценки ультразвуковых полей с частотными составляющими до 15 МГц. Они предназначаются для обеспечения средств измерения мгновенного акустиче-:кого давления в любой точке, включая и те, которые располагаются в (или около) фокальной области медицинских преобразователей большинства типов.

Класс В включает ординарные измерительные гидрофоны, применяемые для относительных измерений, например, для определения пространственных характеристик поля.

Для адекватного определения и контроля рабочих параметров должны выполняться определенные требования в отношении электрической и механической конструкции гидрофонов. Стандартные требования к параметрам конструкции, необходимые для двух отдельных классов, определены в пп. 5.1—5.4.

Примечание Первоначально могут возникнуть значительные трудности при изготовлении гидрофонов в соответствии с требованиями стандарта, предъявляемыми к рабочим характеристикам гидрофонов класса Л Тем не менее, разработка гидрофонов, соответствующих этому стандарту, необходима в ближайшее время Изготовителям гидрофонов класса В следует определять те характеристики изделий, которые соответствуют стандарту для класса А

5.1.    Чувствительность

Образцовый гидрофон должен соответствовать следующим характеристикам в отношении чувствительности в свободном поле М.

5.1.1.    Уровень чувствительности

Уровень чувствительности гидрофонов классов А и В должен быть достаточным для измерения акустического давления, равного 3* 10³ Па и выше, с отношением сигнал/шум не менее 6 дБ.

Примечание На уровень чувствительности гидрофона в свободном поле влияют размеры активного элемента, тип и длина соединительного кабеля, значение входного -импеданса используемых электронных устройств

5.1.2.    Линейность

В динамическом диапазоне от 3* 10³ до 3- 10¹ Па выходное напряжение гидрофонов классов А и В должно быть линейным при изменении акустического давления в свободном поле при максимально допустимом отклонении ± 10 %. Это условие удовлетворяется, если на графике зависимости выходного напряжения от акустического давления в свободном поле прямая линия, проходящая через точку со значением напряжения, соответствующим давлению 3« 10⁴ Па, не отличается от измеренных значений более, чем

ГОСТ 8.655-91 С. 7

на установленный процент допуска (см. черт. 2). Это условие должно выполняться для любой частоты в пределах полосы пропускания данного гидрофона. Если гидрофон остается линейным и для более высоких давлений, превышающих уровень 3* 10⁵ Па, то должен быть установлен действительный верхний предел линейности.

Примечание На измерения акустического давления в области выше 3*10⁵ Па могут повлиять нелинейные эффекты в среде распространения.

5.1.3.    Частотная зависимость

Уровень чувствительности в свободном поле должен быъ постоянным в установленной полосе частот по крайней мере в две с половиной октавы в частотном диапазоне от 0,5 до 15 МГц при максимально допускаемой погрешности 2 дБ для класса А и 4 дБ для класса В. Уровень чувствительности не должен изменяться более чем на ± 0,5 дБ (класс А) и ± 1 дБ (класс В) при любом частотном приращении порядка 100 кГц, попадающем в определенную ранее полосу пропускания.

Примечания:

1.    Несмотря на то, что гидрофоны класса А необходимы для полной количественной оценки импульсного поля, удовлетворительные количественные результаты можно получить для полей в непрерывном режиме посредством гидрофона, который не соответствует требованиям, предъявляемым к устройствам класса А в части частотной зависимости, но соответствует всем другим требованиям класса А

2.    На практике наличие отклонений в частотной характеристике необходимо исследовать методом спектрального анализа. Амплитуду любого наблюдаемого отклонения необходимо определять вышеописанным методом градуировкк.

5.1.4.    Температурная стабильность

В температурном диапазоне от 16 до 30 °С уровень чувствительности гидрофонов класса А не должен изменяться более чем на ± 1 дБ по отношению к значению при 23 °С, а в температурном диапазоне от 30 до 40 °С — не более чем на ± 2 дБ по отношению к значению при 23 °С.

5.1.5: Временная стабильность

Временная стабильность гидрофонов класса А должна быть такой, чтобы уровень его чувствительности изменялся не более чем на ± 2 дБ в течение одного года при обеспечении работы гидрофона в определенных условиях, соответствующих перечислен-

ным в настоящем стандарте. Из этого следует, что гидрофон нужно повторно градуировать в интервалах времени, которые не должны превышать года.

Примечание. Желательно в не! оторых случаях иметь лучшую временную стабильность, но не всегда практично проводить точную градуировку чаще одного раза в год

5.2. Направленность

Для характеристики направленности стандартного гидрофона должны быть удовлетворены следующие условия.

Примечание Чувствительность гидрофонов, рассматриваемая в настоящем стандарте, строго направлена, при этом максимальная чувствительность имеет место в направлении, нормальном по отношению к лицевой плоскости преобразователя

5.2.1. Симметрия

Симметрия характеристик направленности гидрофонов классов А и В для верхнего и нижнего пределов установленного частотного диапазона должна быть такой, что, если нормализованный уровень чувствительности, равный — 6 дБ, имеет место в определенном направлении, образующем угол в с направлением максимальной чувствительности (0 дБ), то уровень чувствительности, измеренный во всех других направлениях, лежащих в пределах такого же угла, должен быть в диапазоне — (6 ± 3) дБ.

Примечание Считается нормальным и доп>стимым выбирать «направление максимальной чувствительности» с тем, чтобы свести до минимума изменения чувствительности по конусу полуугла 0.

5.2.2. Эффективный пространственный угол Характеристика направленности гидрофона класса А или В, чувствительность которого Максимальна в направлении, перпендикулярном к его поверхности, должна быть такой, чтобы при измерении на верхней границе установленной полосы частот в плоскости, содержащей направление максимальной чувствительности, среднее значение двух углов между направлением максимальной чувствительности и тем, при котором нормализованная чувствительность составляет минус 6 дБ, было не менее 15°.

5.3. Электрические характеристики Чувствительность в свободном поле М гидрофона емкостью С между электродами приводится к значению на конце кабеля М _с в зависимости от емкости С_с экранированного кабеля, соединяющего гидрофон с электронным усилителем, по формуле

МС

(С+С_с)

Диапазон значений для С от 10 до 150 пФ для гидрофона с пьезоэлектрическим керамическим элементом и 1—5 пФ для гидрофона из пьезоэлектрического пластика, С_с = 100 L пФ, где L — длина кабеля в метрах-

на его поверхности не образовывалась воздушная пленка или пузырьки воздуха.

Примечание. Перед тем как использовать гидрофон для измерений, его необходимо почистить и опустить в дегазированную перед этим воду не менее чем на 10 мин до полного и оптимального смачивания его поверхности.

5.4.3.    Сопротивление коррозии

Все детали (части) гидрофона, соприкасающиеся с жидкостью, должны быть изготовлены из коррозионно-совместимых и коррозионностойких материалов В частности, следует избегать применения разных металлов в соприкасающихся с жидкостью частях гидрофона, с тем, чтобы избежать возможных явлений гальванической коррозии.

5.4.4.    Отражающая способность

Активный элемент и корпус гидрофона отражают ультразвуковые волны, искажая первоначальное поле. Для того, чтобы свести до минимума искажение результирующего поля и эффекты интерференции, все поверхности гидрофона, отражающие более 20 % энергии плоской падающей волны (распространяющейся по направлению максимальной чувствительности гидрофона), должны:

а)    иметь нормали, направленные под углом не менее 20° к направлению максимальной чувствительности или

б)    находиться в круге с радиусом менее 1 мм.

5.4.5.    Внутренняя акустическая реверберация

Конструкция гидрофона, в частности, его акустическое демпфирование, должна быть такой, чтобы любые задержанные ложные сигналы, возникающие в результате реверберации в самом гидрофоне, были на 20 дБ ниже прямых сигналов, создаваемых падающим акустическим импульсом, состоящим из одного цикла и имеющим частоту в пределах частотного диапазона, определенного для гидрофона.

5.4.6.    Резонанс основной моды колебаний по толщине

Резонанс основной моды колебаний по толщине закрепленного пьезоэлектрического элемента должен возникать при частоте в два раза выше установленной верхней частоты гидрофона при добротности Q < 6.

Примечание. Это условие необходимо для того, чтобы избежать чрезмерного реагирования гидрофона на основную резонансную частоту, которая ч значительной степени искажает измеряемую форму ультразвукового импульса, содержащего относительно небольшую долю составляющих с частотами, превышающими верхний предел установленного для гидрофона частот

6. ПЕРЕЧЕНЬ ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРОФОНА

Изготовитель гидрофонов классов А и В обязан представить следующие характеристики.

1

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИДРОФОНА

Гидрофон характеризуется чувствительностью по напряжению в свободном поле и характеристикой направленности. Оба этих параметра изменяются с изменением частоты. Так как гидрофон используется для многих различных по типу измерений, нет необходимости полностью определять их рабочие характеристики для