МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СОВЕТ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ

(МГС)

INTERSTATE COUNCIL FOR STANDARDIZATION, METROLOGY AND CERTIFICATION

(ISC)

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ

СТАНДАРТ

Государственная система обеспечения единства измерений

МОЩНОСТЬ УЛЬТРАЗВУКА В ЖИДКОСТЯХ

Общие требования к методикам выполнения измерений в диапазоне частот от 0,5 до 25 МГц

(IEC 61161:2006, ЮТ)

Издание официальное

Москва

Стандартинформ

2014

ГОСТ IEC 61161-2014

Предисловие

Цели, основные принципы и порядок проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены ГОСТ 1.0-92 «Межгосударственная система стандартизации. Основные положения» и ГОСТ 1.2-2009 «Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, применения, обновления и отмены»

Сведения о стандарте

1    ПОДГОТОВЛЕН Федеральным государственным унитарным предприятием «Всероссийским научно-исследовательским институтом физико-технических и радиотехнических измерений» (ФГУП «ВНИИФТРИ») на основе собственного аутентичного перевода на русский язык международного стандарта, указанного в пункте 5

2    ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 206 «Эталоны и поверочные схемы» подкомитетом ПК 206.5 «Эталоны и поверочные схемы в области измерения физико-химического состава и свойств веществ»

3    ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 30 мая 2014 г. № 67-П)

За принятие проголосовали:

Краткое наименование страны по МК (ИСО 3166)004-97	Код страны по МК (ИСО 3166) 004-97	Сокращенное наименование национального органа по стандартизации
Армения	AM	Минэкономики Республики Армения
Беларусь	BY	Госстандарт Республики Беларусь
Киргизия	KG	Кыргызстандарт
Молдова	MD	Молдова-Стандарт
Россия	RU	Росстандарт
Узбекистан	UZ	Узстандарт

4    Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 23 сентября 2014 г. № 1171-ст межгосударственный стандарт ГОСТ IEC 61161-2014 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 января 2016 г.

5    Настоящий стандарт идентичен международному стандарту IEC 61161:2006 Ultrasonics — Power measurement — Radiation force balances and performance requirements (Ультразвук. Измерение мощности. Методы уравновешивания радиационной силы и требования к их выполнению).

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ 1.5 - 2001 (пункт 3.6).

Перевод с английского языка (еп).

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов (рекомендаций) соответствующие им межгосударственные стандарты, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА

Степень соответствия — идентичная (ЮТ).

6 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

ГОСТ IEC 61161-2014

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном информационном указателе «Национальные стандарты», а пюкст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет

© Стандартинформ, 2014

В Российской Федерации настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен. тиражирован и распространен в качестве официального издания без разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

ГОСТ IEC 61161-2014

Содержание

1    Область применения.....................................................................................................................................1

2    Нормативные ссылки....................................................................................................................................1

3    Термины, определения и обозначения.......................................................................................................2

4    Обозначения..................................................................................................................................................2

5    Требования к системам уравновешивания радиационной силы..............................................................3

6    Требования к условиям измерений..............................................................................................................5

7    Неопределенность результатов измерений...............................................................................................6

Приложение А (справочное) Дополнительная информация об особенностях измерений

радиационной силы.............................................................................................................10

Приложение В (обязательное) Основные формулы...................................................................................18

Приложение С (справочное) Другие методы измерения мощности ультразвука.....................................20

Приложение D (справочное) Среда распространения и дегазация..........................................................20

Приложение Е (справочное) Измерение радиационной силы при расходящихся ультразвуковых

пучках....................................................................................................................................24

Приложение F (справочное) Ограничения, связанные с различной компоновкой весов........................28

Приложение ДА (справочное) Сведения о соответствии межгосударственных стандартов

ссылочным международным стандартам..........................................................................33

Библиография.................................................................................................................................................34

IV

ГОСТ IEC 61161-2014

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

Государственная система обеспечения единства измерений

МОЩНОСТЬ УЛЬТРАЗВУКА В ЖИДКОСТЯХ

Общие требования к методикам выполнения измерений в диапазоне частот от 0,5 до 25 МГц

State system for ensuring the uniformity of measurements.

Ultrasonic power in liquids. General requirements to measuring methods in the frequency range 0.5 to 25 MHz

Дата введения — 2016—01—01

1    Область применения

Настоящий стандарт распространяется на методики измерения мощности ультразвука в жидкостях и устанавливает:

-    метод измерения полной мощности акустического излучения ультразвуковыми преобразователями. основанный на уравновешивании радиационного давления звуковой волны;

-    общие принципы построения систем уравновешивания, в которых препятствие (мишень) преграждает измеряемое звуковое поле;

-    ограничения на условия использования метода, связанные с эффектами кавитации и роста температуры среды;

-    количественные ограничения применения метода, обусловленные расхождением ультразвукового пучка.

В настоящем стандарте приведена информация об источниках неопределенности результатов измерения мощности.

Стандарт распространяется на:

-    измерения мощности ультразвука до 1 Вт в диапазоне частот от 0.5 до 25 МГц с использованием системы уравновешивания радиационной силы звуковой волны:

-    измерения мощности ультразвука до 20 Вт в диапазоне частот от 0.75 до 5 МГц с использованием системы уравновешивания радиационной силы звуковой волны;

-    измерения полной мощности ультразвукового поля преобразователей, излучающих как можно более коллимированный ультразвуковой пучок;

-    применение систем уравновешивания радиационной силы с использованием гравитации или какой-либо обратной связи.

Примечание — Т ермины, приведенные в разделе 3 настоящего стандарта, выделены в тексте полужирным шрифтом.

2    Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие международные стандарты:

IEC 60050, International Electrotechnical Vocabulary (IEV) — Chapter 801;

Acoustics and Electroacoustics. Chapter 802: Ultrasonics (Международный электротехнический словарь. Глава 801. Акустика и электроакустика. Глава 802. Ультразвук)

Издание официальное

ГОСТ IEC 61161-2014

IEC 60854:1986. Methods of measuring the performance of ultrasonic pulse-echo diagnostic equipment (Методы измерения характеристик ультразвукового эхоимпульсного диагностического оборудования)

IEC 60866:1987, Characteristics and calibration of hydrophones for operation in the frequency range 0,5 MHz to 15 MHz (Характеристики и калибровка гидрофонов для работы в частотном диапазоне от 0,5 до 15 МГц)

IEC 61101:1991, The absolute calibration of hydrophones using the planar scanning technique in the frequency range 0.5 MHz to 15 MHz (Абсолютная калибровка гидрофонов методом плоского сканирования в частотном диапазоне от 0.5 до 15 МГц)

IEC 61102:1991, Measurement and characterization of ultrasonic fields using hydrophones in the frequency range 0.5 MHz to 15 MHz (Измерение и описание ультразвуковых полей с помощью гидрофонов в частотном диапазоне от 0.5 до 15 МГц)

IEC 61689: 1996. Ultrasonics — Physiotherapy systems — Performance requirements and methods of measurement in the frequency range 0,5 MHz to 5 MHz (Ультразвук. Аппараты дпя ультразвуковой терапии. Требования к параметрам и методам их измерения в диапазоне частот от 0,5 до 5 МГц)

IEC 61846: 1998, Ultrasonics — Pressure pulse lithotripters — Characteristics of fields (Ультразвук. Литотрипторы. излучающие импульсы давления. Характеристики полей)

3    Термины, определения и обозначения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1    акустическое течение (acoustic streaming): Объемное перемещение жидкости под действием звукового поля.

3.2    свободное поле (free field): Звуковое поле в гомогенной изотропной среде, влиянием границ которой на звуковые волны можно пренебречь (изменено по сравнению с IEC 60050-801).

3.3    выходная мощность Р, Вт (output power): Усредненная во времени упьтразвуковая мощность излучения ультразвукового преобразователя в условиях свободного поля и в какой-то определенной среде, желательно в воде.

3.4    радиационная сила (акустическая радиационная сила) F, Н (radiation force, acoustic radiation force): Усредненная во времени сила, приложенная к телу при воздействии на него звукового поля, за исключением составляющих, связанных с акустическими течениями: или в более общем смысле усредненная во времени сила (за исключением составляющих, связанных с акустическими течениями) в звуковом поле, проявляющаяся на границе раздела двух сред с различными акустическими свойствами.

3.5    радиационное давление (акустическое радиационное давление), Па (radiation pressure, acoustic radiation pressure): Радиационная сила, воздействующая на единичную площадь.

Примечание — Этот термин широко используется в литературе При этом радиационная сила на единицу площади является тензорной величиной [4] и с точки зрения научной терминологии ее следовало бы относить к тензору акустических радиационных напряжений В настоящем стандарте предпочтение отдается интегральному значений «акустической радиационной силы» При применении в тексте настоящего стандарта термина «акустическое радиационное давление» под ним следует понимать отрицательное значение радиационного напряжения в направлении оси пучка

3.6    мишень (target): Устройство, специально разработанное для того, чтобы преграждать существенную часть ультразвукового поля и реагировать на радиационную силу

3.7    ультразвуковой преобразователь (ultrasonic transducer): Устройство, способное преобразовывать электрическую энергию в механическую в ультразвуковом диапазоне частот и/или обратно: механическую энергию в электрическую.

3.8    радиационная проводимость G, С (radiation conductance): Отношение акустической выходной мощности к квадрату эффективного (среднеквадратичного) электрического напряжения на входе преобразователя. Эту величину используют для определения параметров электроакустического преобразования ультразвуковых преобразователей.

4    Обозначения

а — радиус ультразвукового преобразователя:

ГОСТ IEC 61161— 2014

с — скорость звука (обычно в воде);

d — фокусное расстояние фокусирующего ультразвукового преобразователя;

F — радиационная сила, действующая на мишень в направлении падения ультразвуковой волны; д — ускорение свободного падения;

G — радиационная проводимость

к — волновое число (2л//.);

р — выходная мощность ультразвукового преобразователя s — нормированное расстояние от ультразвукового преобразователя (s = z /7а‘); z — расстояние между мишенью и ультразвуковым преобразователем; а — амплитудный коэффициент затухания плоских волн в среде (обычно в воде); у — фокальный угол (угол раскрытия) фокусирующего ультразвукового преобразователя (arcsin a/d);

0    — угол между направлением падения ультразвуковой волны и нормалью к отражающей поверх

ности мишени;

/.    —длина ультразвуковой волны;

Р — плотность среды распространения (обычно воды).

Примечание — Под направлением падающей волны в определениях для Рин подразумевается ось звукового поля

5 Требования к системам уравновешивания радиационной силы

5.1    Общие положения

Система уравновешивания радиационной силы должна состоять из мишени, связанной с весами. Ультразвуковой пучок должен быть направлен вертикально сверху или снизу или горизонтально на мишень, и его воздействующую на мишень радиационную силу следует измерять с помощью весов. Ультразвуковую мощность следует определять по разнице между значениями силы, с которой мишень воздействует на весы, при приложении к ней ультразвукового излучения и при его отсутствии. в соответствии с формулами, приведенными в приложении В Калибровку системы можно выполнять посредством прецизионных грузиков известной массы.

Примечание — Возможные типы конструкции системы уравновешивания представлены на рисунках F.1-F.7 приложения F Каждая конструкция имеет свои особенности, рассмотренные в приложении F

5.2    Типы мишеней

5.2.1    Общие положения

Акустические свойства мишени должны быть хорошо известны, особенно те из них. которые имеют непосредственное отношение к зависимости измеряемой ультразвуковой мощности от радиационной силы (см. также приложение А. пункт А.5.2).

Если мишень выбрана таким образом, что она достаточно хорошо соответствует одному из двух крайних условий, т е. является полностью поглощающей или полностью отражающей, то для расчетов следует воспользоваться соответствующими формулами, приведенными в приложении В. в зависимости от структуры ультразвукового поля и при соблюдении следующих требований.

5.2.2    Поглощающая мишень

Поглощающая мишень (см. рисунок 1 и приложение F. рисунки F la. F.3. F.4. F.5a и F.7) должна иметь:

-    амплитудный коэффициент отражения меньше 3.5 %:

-    коэффициент поглощения акустической энергии не менее 99 % (см. также приложение А. подпункт А.5.2.2).

5.2.3    Отражающая мишень

Отражающая мишень (см. приложение F, рисунки F ib, F.2. F.5b и F.6) должна иметь амплитудный коэффициент отражения, превышающий 99 %.

3

ГОСТ IEC 61161-2014

Для измерений мощности преобразователей, для которых ка < 30. рекомендуется использовать коническую отражающую мишень Для измерений мощности преобразователей, для которых ка < 17.4 и ультразвуковой пучок будет существенно расходящимся, использование выпуклой конической мишени с лолууглом конуса 45° не допускается (см. также приложение А. пункт А.5.3).

Примечание — Значение а зависит от различных условий Для реальных преобразователей а является эффективным радиусом, определяемым по структуре создаваемого ими поля Однако при расчете используется модель круглого поршневого преобразователя, где а является геометрическим радиусом поршня

Выпуклую коническую мишень с лолууглом конуса 45° не рекомендуется также применять и при измерении мощности фокусирующих преобразователей, для которых d < 32а. Если геометрическое фокусное расстояние d неизвестно, то выпуклую коническую мишень с лолууглом конуса 45° не рекомендуется применять в тех случаях, когда расстояние z_f от преобразователя до точки с максимальным значением давления составляет z- < 1/[(1/32а) + (/7а^:)].

Примечание — Эти условия фактически ограничивают применение выпуклых конических мишеней измерениями мощности нефокусирующих или слабо фокусирующих преобразователей, что и отражено в разделе 1 Если все же такие мишени используют для измерения мощности сильно фокусирующих преобразователей и применяют при этом формулу (В 5) приложения В. то необходимо принимать в расчет дополнительные погрешности, не указанные в разделе 7.

См. также подпункт А.5.2.3 приложения А и подраздел В.6 приложения В

5.3    Диаметр мишени

Диаметр мишени должен быть достаточно большим, чтобы перекрыть всю значимую часть поля. и должен быть по крайней мере в 1.5 раза больше соответствующего размера (например, диаметра) ультразвукового преобразователя

Рекомендация, должна или не должна мишень иметь диаметр в 1.5 раза больше чем диаметр преобразователя, обусловлена диаметром пучка поля в месте расположения мишени Размеры пучка должны быть известны из измерений или оценены теоретически, как это показано на примере в приложении А. пункт А.5.3.

5.4    Весы/система измерения силы

Система уравновешивания радиационной силы может быть гравитационного типа, и это предполагает вертикальную ориентацию пучка. В качестве альтернативы можно применять конструкцию с обратной силовой связью, позволяющую использовать горизонтальную ориентацию пучка. Если устройство для измерения уравновешивающей силы градуируется посредством единиц массы, то изготовителем или пользователем должно быть предусмотрено правильное преобразование показания весов в значение силы.

Примечание — Вертикальная ориентация пучка обеспечивает метрологическую прослеживаемость результатов измерений до национальных эталонов массы (через калиброванные гирьки) В установках с горизонтальной ориентацией пучка применяют как отражающие по [5]. [6]. так и поглощающие мишени по [7] Их калибровку можно проводить соответствующим подсоединением к коромыслу весов или посредством источника излучения с известной акустической мощностью.

Используемые весы должны иметь достаточную разрешающую способность для измерения мощности ультразвука (см. приложение А. пункт А.5.4).

5.5    Сосуд измерительного устройства

При применении отражающей мишени стенки сосуда должны иметь такое поглощающее покрытие. чтобы дополнительный вклад отражений от них не превышал 1 % суммарной измеряемой мощности (см. приложение А, пункт А.5.5).

5.6    Система подвески мишени

При статическом уравновешивании элементы подвески мишени, передающие радиационную силу через поверхность раздела воды и воздуха, должны быть спроектированы так. чтобы свести эффекты поверхностного натяжения к значению, меньшему 1 % суммарной измеряемой мощности.

4

ГОСТ IEC 61161-2014

5.7    Система позиционирования преобразователя

Конструкция держателя и системы перемещений ультразвукового преобразователя должна обеспечивать стабильность и воспроизводимость его расположения относительно мишени с такой точностью, чтобы относительные изменения измеряемой мощности не превышали 1 %.

5.8    Пленки, защищающие от акустических течений

Если для защиты от влияния акустических течений применяют специальную пленку, то ее следует устанавливать возможно ближе к мишени, но не параллельно поверхности ультразвукового преобразователя (см. [8]). Коэффициент ее пропускания должен быть предварительно измерен, и если применение пленки занижает значение измеряемой мощности более чем на 1 %. то в результаты измерений следует вводить соответствующую поправку (см. приложение А. пункт А.5.8).

Примечание — На практике оказывается достаточным наклонить пленку на угол 5° — 10° относительно поверхности преобразователя

5.9    Акустический контакте преобразователем

Акустический контакт ультразвукового преобразователя с измерительным устройством должен быть таким, чтобы его влияние на измеряемую мощность было меньше 1 %, иначе следует вводить поправку (см. приложение А. пункт А.5.9).

5.10    Калибровка

Систему уравновешивания радиационной силы следует калибровать с использованием малых грузиков известной массы. Может быть также рекомендована калибровка посредством ультразвукового преобразователя с известной выходной мощностью В этом случае калибровку следует проводить один раз в два года или чаще, если есть подозрения, что чувствительность системы к ультразвуковой мощности изменилась.

6 Требования к условиям измерений

6.1    Поперечное расположение мишени

Расположение мишени в поперечной плоскости относительно оси пучка не должно меняться во время измерений. Воспроизводимость этого положения должна быть такой, чтобы относительные изменения измеряемой мощности не превышали 1 % (см. приложение А. пункт А.6.1).

6.2    Дистанция от преобразователя до мишени

Расстояние меэду поверхностью ультразвукового преобразователя и мишенью или пленкой (если она используется) и мишенью должно быть известно и воспроизводимо с такой точностью, чтобы возможные изменения в измеряемой мощности не превышали 1 % (см. приложение А. пункт А.6.2).

6.3    Вода

В системах уравновешивания радиационной силы для измерений следует использовать воду.

При измерении значений выходной мощности, превышающих 1 Вт. следует применять только дегазированную воду.

Дегазацию воды проводят строго определенным способом в соответствии с приложением D. Количество растворенного в дегазированной воде кислорода должно быть меньше 4 мг/л в течение всего процесса измерений (см. приложение А. пункт А 6.3).

6.4    Контакт с водой

Перед началом измерений следует удостовериться, что с поверхностей активных элементов удалены все пузырьки воздуха. По окончании измерений следует вновь осмотреть поверхности. Если на них будут обнаружены пузырьки воздуха, то измерения следует признать неверными и повторить их снова (см. приложение А. пункт А.6.4).

ГОСТ IEC 61161-2014

6.5    Окружающие условия

Для измерений в милливаттном и микроваттном диапазонах измерительное устройство должно быть укомплектовано теплоизоляцией, либо измерения, включая сбор данных, проводят таким образом, чтобы тепловой дрейф и другие помехи во время измерений не добавляли более 1 % погрешности к общей измеряемой мощности

Измерительное устройство должно быть защищено от вибраций и воздушных потоков (см. приложение А. пункт А.6.5).

6.6    Тепловой дрейф

При работе с поглощающей мишенью для оценки влияния тепловых эффектов из-за поглощения звуковой энергии (расширение и изменение плавучести) необходимо записывать значение измеренного сигнала перед и после включения и выключения возбуждения ультразвукового преобразователя (см. приложение А. пункт А.6.6).

7 Неопределенность результатов измерений

7.1    Общие положения

Расчет суммарной неопределенности результатов измерений или оценку точности проводят отдельно для каждой из используемых систем. Ниже приведены источники неопределенности. Неопределенность результатов измерений следует оценивать в соответствии с (9).

7.2    Система уравновешивания с подвеской мишени

Систему уравновешивания проверяют или калибруют с помощью маленьких грузиков известной массы, в той конфигурации всей системы, в которой проводят измерение радиационной силы, включая подвешенную в воде мишень

Эту операцию повторяют несколько раз с каждым грузиком для получения оценки случайного разброса результатов. Неопределенность оценки калибровочного коэффициента весов получают из результатов этой калибровки и из погрешности массы используемых грузиков.

Результаты проверок рекомендуется регистрировать, чтобы иметь возможность сделать заключение о долговременной стабильности калибровочного коэффициента весов (см. также приложение А. пункт А.7.1).

7.3    Линейность системы уравновешивания

Линейность системы уравновешивания проверяют не реже чем через каждые два месяца по следующей процедуре.

Проводят измерения по 7.2 по меньшей мере с тремя грузиками различной массы в интересующем диапазоне уравновешивания. Показания весов как функция массы грузиков могут быть представлены графически, как это показано на рисунке 2. В идеале точки на этом графике должны лежать на прямой линии, начинающейся в начале системы координат. Если имеются отклонения от этой линии. то по ним вычисляют вклад дополнительной погрешности.

Если с грузиками массой менее 10 мг обращаться сложно, то в этом случае линейность системы уравновешивания проверяют с помощью ультразвукового преобразователя с известными характеристиками. возбуждая его напряжением различной амплитуды и создавая радиационные воздействия различной величины. В этом случае входной величиной на абсциссе рисунка 2 будет выходная ультразвуковая мощность преобразователя, и следует учитывать неопределенность ее установки.

Конечное значение разрешающей способности весов также является источником неопределенности. который необходимо принимать в расчет при оценке общей неопределенности результатов измерения.

7.4    Экстраполяция к моменту включения ультразвукового преобразователя

Для получения значения радиационной силы при использовании электронных весов выходной сигнал уравновешивания обычно записывают в виде функции от времени и экстраполируют назад к моменту включения ультразвукового преобразователя Экстраполяция содержит неопределенность. зависящую главным образом от величины рассеивания выходных сигналов весов (т е. от от-