Товары в корзине: 0 шт Оформить заказ
Стр. 1 

40 страниц

Купить ГОСТ Р МЭК 61161-2019 — бумажный документ с голограммой и синими печатями. подробнее

Цена на этот документ пока неизвестна. Нажмите кнопку "Купить" и сделайте заказ, и мы пришлем вам цену.

Распространяем нормативную документацию с 1999 года. Пробиваем чеки, платим налоги, принимаем к оплате все законные формы платежей без дополнительных процентов. Наши клиенты защищены Законом. ООО "ЦНТИ Нормоконтроль"

Наши цены ниже, чем в других местах, потому что мы работаем напрямую с поставщиками документов.

Способы доставки

  • Срочная курьерская доставка (1-3 дня)
  • Курьерская доставка (7 дней)
  • Самовывоз из московского офиса
  • Почта РФ

Распространяется на методы 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 повышения температуры среды;

- количественные ограничения применения метода, обусловленные расхождением или фокусированием ультразвукового пучка;

- сведения об оценке акустической мощности для сходящихся и расходящихся ультразвуковых пучков методом измерения радиационной силы;

- сведения о суммарной неопределенности результатов измерения.

В стандарте приведена информация об оценке акустической мощности для сходящихся и расходящихся ультразвуковых пучков методом измерения радиационной силы, а также суммарной неопределенности результатов измерения.

Стандарт применим:

- к измерениям мощности ультразвука, не превышающей 1 Вт в диапазоне частот от 0,5 до 25 МГц, с использованием системы уравновешивания радиационной силы звуковой волны;

- измерениям мощности ультразвука не более 20 Вт в диапазоне частот от 0,75 до 5 МГц с использованием системы уравновешивания радиационной силы звуковой волны;

- измерениям полной мощности ультразвукового поля в виде коллимированного, расходящегося или сфокусированного пучков;

- системам уравновешивания радиационной силы с использованием гравитации или обратной связи.

 Скачать PDF

Идентичен IEC 61161(2013)

Оглавление

1 Область применения

2 Нормативные ссылки

3 Термины и определения

4 Обозначения

5 Требования к системам уравновешивания радиационной силы

     5.1 Общие положения

     5.2 Типы мишеней

     5.3 Диаметр мишени

     5.4 Весы/система измерения силы

     5.5 Сосуд измерительного устройства

     5.6 Система подвески мишени

     5.7 Система позиционирования преобразователя

     5.8 Пленки, защищающие от акустических течений

     5.9 Акустический контакт с преобразователем

     5.10 Калибровка

6 Требования к условиям измерений

     6.1 Поперечное расположение мишени

     6.2 Расстояние между преобразователем и мишенью

     6.3 Вода

     6.4 Контакт с водой

     6.5 Условия окружающей среды

     6.6 Тепловой дрейф

7 Неопределенность результатов измерений

     7.1 Общие положения

     7.2 Система уравновешивания с подвеской мишени

     7.3 Линейность и разрешение системы уравновешивания

     7.4 Экстраполяция к моменту включения ультразвукового преобразователя

     7.5 Несовершенство мишени

     7.6 Геометрия отражающей мишени

     7.7 Боковые поглотители для измерений с отражающей мишенью

     7.8 Смещение мишени

     7.9 Неточность установки ультразвукового преобразователя

     7.10 Температура воды

     7.11 Затухание ультразвука и акустические течения

     7.12 Свойства пленок

     7.13 Конечность размера мишени

     7.14 Плосковолновое приближение

     7.15 Влияние сканирования

     7.16 Влияние условий окружающей среды

     7.17 Измерение напряжения возбуждения

     7.18 Температура ультразвукового преобразователя

     7.19 Нелинейность

     7.20 Ускорение свободного падения

     7.21 Другие источники

Приложение A (справочное) Дополнительная информация об особенностях измерений радиационной силы

Приложение B (справочное) Основные формулы

Приложение C (справочное) Другие методы измерения мощности ультразвука

Приложение D (справочное) Среда распространения и дегазация

Приложение E (справочное) Измерение радиационной силы при расходящихся ультразвуковых пучках

Приложение F (справочное) Ограничения, связанные с различной компоновкой системы уравновешивания

Приложение ДА (справочное) Сведения о соответствии ссылочных международных стандартов национальным стандартам

Библиография

 
Дата введения01.09.2020
Добавлен в базу01.01.2021
Актуализация01.01.2021

Этот ГОСТ находится в:

Организации:

30.10.2019УтвержденФедеральное агентство по техническому регулированию и метрологии1056-ст
РазработанФГУП ВНИИФТРИ
ИзданСтандартинформ2019 г.

State system for ensuring the uniformity of measurements. Ultrasonic power in liquids. General requirements to measuring by method of radiation force balance

Стр. 1
стр. 1
Стр. 2
стр. 2
Стр. 3
стр. 3
Стр. 4
стр. 4
Стр. 5
стр. 5
Стр. 6
стр. 6
Стр. 7
стр. 7
Стр. 8
стр. 8
Стр. 9
стр. 9
Стр. 10
стр. 10
Стр. 11
стр. 11
Стр. 12
стр. 12
Стр. 13
стр. 13
Стр. 14
стр. 14
Стр. 15
стр. 15
Стр. 16
стр. 16
Стр. 17
стр. 17
Стр. 18
стр. 18
Стр. 19
стр. 19
Стр. 20
стр. 20
Стр. 21
стр. 21
Стр. 22
стр. 22
Стр. 23
стр. 23
Стр. 24
стр. 24
Стр. 25
стр. 25
Стр. 26
стр. 26
Стр. 27
стр. 27
Стр. 28
стр. 28
Стр. 29
стр. 29
Стр. 30
стр. 30

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО

ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ

ГОСТ Р

( /дНЛ СТАНДАРТ \ МГ / РОССИЙСКОЙ

МЭК 61161-

ФЕДЕРАЦИИ

2019

Государственная система обеспечения единства

измерений

МОЩНОСТЬ УЛЬТРАЗВУКА В ЖИДКОСТЯХ

Общие требования к выполнению измерений методом уравновешивания радиационной силы

(IEC 61161:2013,

Ultrasonics — Power measurement — Radiation force balances and performance

requirements, IDT)

Издание официальное

Москва Стандарт* иформ 2019

Предисловие

1    ПОДГОТОВЛЕН Федеральным государственным унитарным предприятием «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений» (ФГУП «ВНИИФТРИ») на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии стандарта, указанного в пункте 4

2    ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 053 «Основные нормы и правила в области метрологии»

3    УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 30 октября 2019 г. № 1056-ст

4    Настоящий стандарт идентичен международному стандарту МЭК 61161:2013 «Ультразвук. Измерение мощности. Методы уравновешивания радиационной силы и требования к их выполнению» (IEC 61161:2013 «Ultrasonics — Power measurement — Radiation force balances and performance requirements», IDT).

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2012 (пункт 3.5).

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

5    ВЗАМЕН ГОСТ Р МЭК 61161-2009

Правипа применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. № 162-ФЗ «О стандартизации в Российской Федерации». Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты» В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «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 (www.gost.ru)

© Стандартинформ, оформление. 2019

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 II

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 следует повторить несколько раз с каждым грузиком для получения оценки случайного разброса результатов. Неопределенность оценки калибровочного коэффициента весов получают на основании результатов этой калибровки и исходя из погрешности массы используемых грузиков.

Результаты проверок рекомендуется регистрировать для того, чтобы иметь возможность сделать заключение о долговременной стабильности калибровочного коэффициента весов (см. также А.7.2 приложения А).

7.3    Линейность и разрешение системы уравновешивания

Линейность системы уравновешивания рекомендуется проверять не реже чем через каждые 6 мес по следующей процедуре.

Измерения по 7.2 следует проводить 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 графике должны лежать на прямой линии, начинающейся в начале системы координат. Если имеются отклонения от этой линии, то по ним вычисляют вклад дополнительной погрешности.

Так как с грузиками массой менее 10 мг обращаться сложно, то линейность системы уравновешивания проверяют с помощью ультразвукового преобразователя с известными характеристиками, возбуждая его напряжением различной амплитуды и создавая радиационную силу различных уровней. В этом случае входной величиной на абсциссе (см. рисунок 2) будет выходная ультразвуковая мощность преобразователя, и следует учитывать неопределенность ее установки.

Конечное значение разрешающей способности весов тоже 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, как правило, записывают в виде функции от времени и экстраполируют к моменту включения ультразвукового преобразователя Эта экстраполяция содержит неопределенность. зависящую главным образом от величины рассеивания выходных сигналов весов (т. е. от отношения сигнал/шум). Неопределенность результата экстраполяции должна быть оценена посредством стандартных математических процедур по алгоритму регрессии.

7.5    Несовершенство мишени

Влияние несовершенства мишени должно быть оценено с помощью плосковолнового приближения в соответствии с А.7.5 приложения А.

7.6    Геометрия отражающей мишени

Влияние геометрии отражающей мишени должно быть оценено и учтено при расчете суммарной неопределенности измерений, выполняемых системой (см. А.7.6 приложения А).

7.7    Боковые поглотители для измерений с отражающей мишенью

Следует оценить влияние несовершенства боковых поглотителей в устройствах, показанных на рисунках Fib, F.2. F.5b и F.6, и учесть это при расчете суммарной неопределенности измерений (см. А.7.6 приложения А).

7.8    Смещение мишени

Влияние смещения мишени относительно оси пучка следует оценить и учесть при расчете суммарной неопределенности измерений (см. А.7.8 приложения А).

7.9    Неточность установки ультразвукового преобразователя

Влияние неточности установки ультразвукового преобразователя следует оценить и учесть при расчете суммарной неопределенности измерений, выполняемых системой (см. А.7.9 приложения А).

7.10    Температура воды

Неопределенность, связанную с изменением температуры воды, следует оценить и учесть при расчете суммарной неопределенности измерений, выполняемых системой (см. А.7.10 приложения А).

7.11    Затухание ультразвука и акустические течения

Неопределенность, связанную с затуханием ультразвука в воде и акустическими течениями, следует оценить и учесть при расчете суммарной неопределенности измерений, выполняемых системой (см. А.7.11 приложения А).

7.12    Свойства пленок

При применении пленки, находящейся в акустическом контакте с преобразователем, или пленки, экранирующей от акустических течений, должны быть измерены или оценены потери акустического сигнала при его прохождении через пленку. Необходимо оценить кахщый из источников неопределенности. связанный с затуханием в пленке и с возможным влиянием отражений от нее на ультразвуковой преобразователь, и включить их в суммарную неопределенность.

7.13    Конечность размера мишени

При оценке суммарной неопределенности следует определить и учесть влияние ограниченных размеров мишени (см. А.7.13 приложения А).

7.14    Плосковолновое приближение

Следует определить и учесть влияние допустимости применения модели плоской волны на результаты измерений при расчете суммарной неопределенности (см. А.7.14 приложения А).

7.15    Влияние сканирования

Условия проведения измерений мощности преобразователей, работающих в режимах сканирования. для поглощающей мишени изложены в В.7 приложения В. Они включают предположение о постоянстве параметров пучка в процессе сканирования и о знании углов сканирования. Неопределенность. связанную с границами, до которых это предположение допустимо, и с точностью оценки углов сканирования, следует определить и учесть при расчете суммарной неопределенности. Применение отражающих мишеней не рекомендуется, так как они чувствительны к углу падения звуковой волны.

7.16    Влияние условий окружающей среды

Источники неопределенности, связанные с внешними вибрациями, воздушными потоками или изменениями температуры воздуха, следует оценить и включить в суммарную неопределенность измерений (см. А.7.16 приложения А).

7.17    Измерение напряжения возбуждения

Если измерено возбуждающее напряжение, приложенное к ультразвуковому преобразователю, и его значение влияет на результаты измерений мощности ультразвука, то неопределенность измерения напряжения должна быть оценена и учтена при расчете суммарной неопределенности (см. А.7.17 приложения А).

7.18    Температура ультразвукового преобразователя

Если необходимо сравнивать значения мощности ультразвука, измеренные при различных температурах. то следует проверить зависимость мощности от температуры и учесть влияние этой зависимости на результаты измерений (см. А.7.18 приложения А).

7.19 Нелинейность

Потенциальное влияние нелинейностей должно быть исследовано и. если это необходимо, внесено в суммарную неопределенность, учитывая следующие источники:

a)    нелинейность системы уравновешивания, включая подвеску мишени;

b)    нелинейный вклад из-за неполной дегазации воды;

c)    затухание ультразвука и акустическое течение;

d)    отклонения от теоретического соотношения между радиационной силой и мощностью ультразвука.

(См. А.7.19 приложения А).

7.20    Ускорение свободного падения

Источник неопределенности, связанный с ускорением свободного падения д, как правило, мал по сравнению с другими источниками. Численное значение д зависит от местоположения системы уравновешивания радиационной силы и высоты над уровнем моря.

7.21    Другие источники

Рекомендуется периодически проверять, не влияют ли на суммарную неопределенность, оцененную в соответствии с 7.2—7.20, другие источники (см. А.7.21 приложения А).

1 см

Рисунок 1 — Поглощающая мишень в разрезе

Отсчет

весов

Рисунок 2 — Проверка линейности отсчета весов как функции входной величины

Примечание — Если линейность проверяют с помощью грузиков малой массы, то входной величиной является масса используемых грузиков Если линейность проверяют по радиационной силе ультразвукового поля, излучаемого ультразвуковым преобразователем с известными характеристиками, то входной величиной является выходная мощность преобразователя

Приложение А (справочное)

Дополнительная информация об особенностях измерений радиационной силы

Примечани е —Данное приложение содержит дополнительную информацию о технических требованиях настоящего стандарта для того, чтобы помочь реализовать на практике измерения мощности ультразвука Нумерация разделов, подразделов и пунктов приложения соответствует нумерации в основном тексте настоящего стандарта

А.1 Область применения

Радиационная сила эквивалентна изменению усредненного во времени потока энергии [4] и таким образом соответствует интенсивности и мощности ультразвука Соотношение зависит также от специфики акустического поля и мишени

А.2 Нормативные ссылки

Дополнительная информация отсутствует А.З Определения

Дополнительная информация отсутствует

А.4 Обозначения и сокращения

Дополнительная информация отсутствует

А.5 Системы уравновешивания радиационной силы

А.5.1 Общие положения

Дополнительная информация отсутствует

А.5.2 Тип мишени

А 5.2 1 Общие положения

Как правило, стремятся приблизиться к одному из двух крайних случаев идеальному поглотителю или идеальному отражателю (10) Для того чтобы исключить влияние изменений плавучести из-за колебаний атмосферного давления, сжимаемость мишени должна быть низкой, по мере возможности Рекомендуется уделить внимание и другим аспектам для достижения максимальной стабильности плавучести мишени

При проведении измерений мощности с предсказуемой неопределенностью выбор типа мишени зависит от того, насколько распространение ультразвукового пучка соответствует теоретическому плосковолновому приближению В частности, использование отражающей мишени может привести к недопустимо большим неопределенностям (см 5.2.3).

А 5 2.2 Поглощающая мишень

Для поглощающих мишеней, как правило, используют образцы из подходящей эластичной резины в виде клиньев или без них Для увеличения поглощения материал может содержать инородные включения (неоднородности).

На рисунке 1 показан пример поглотителя со структурой в виде угловых клиньев В этом случае концентрация неоднородностей растет от нуля на острие клиньев до 30 % по обьему на их задней поверхности В качестве неоднородностей удовлетворительно работают полые стеклянные сферы диаметром порядка 0,1 мм; они оказывают лишь незначительное влияние на плотность и сжимаемость эластичного резинового материала Другие типы поглотителей описаны в (11), (12)

Ультразвуковые пучки мощностью излучения более 10 Вт или проявляющие высокую локальную плотность мощности приводят к чрезмерному локальному возрастанию температуры поглотителя, что может стать причиной его повреждения или изменения его акустических свойств Наблюдалось возрастание температуры выше 50 "С А5.2.3 Отражающая мишень

Главной проблемой является уменьшение сжимаемости отражающей мишени, так как флуктуации воздушного давления вызывают изменение ее объема, а следовательно, и плавучести, пропорциональное ее сжимаемости Плоские отражатели звука, которые, как правило, реализуются посредством «опертых на воздух» тонких металлических пластин, применять не рекомендуется Использование в качестве отражателей прочных металлических пластин, наклоненных к оси ультразвукового луча под углом 45". может привести к погрешностям из-за существенного и частотно-зависимого прохождения ультразвуковой волны в тело мишени (13).

Пригодны отражатели конической формы, сделанные в виде толстостенных полых тел или «опертых на воздух» тонких металлических пластин Отвечают заданным требованиям и отражатели конической формы, сделанные из очень жесткого пенообразного пластика, покрытого очень тонким металлическим слоем, нанесенным электролитическим способом (10).

Отражающая мишень выпуклого типа

Конический отражатель выпуклого типа приведен в приложении F на рисунках F 1b. F 2 и F.6. Полуугол конуса, как правило, выбирают равным 45’ так, чтобы отраженная волна уходила под прямыми углами от оси ультразвукового луча

Отражающая мишень вогнутого типа

Конический отражатель вогнутого типа приведен на рисунке F 5Ь приложения F Полуугол конуса, как правило, выбирают в пределах от 60° до 65’ таким образом, чтобы отраженная волна проходила на более близком от ультразвукового преобразователя расстоянии, чем в случае выпуклого отражателя

А.5.3 Диаметр мишени

А 5.3 1 Круглый преобразователь поршневого типа

Ниже приведено оценочное равенство для минимального значения радиуса г мишени, который обеспечивает улавливание по меньшей мере 98 % радиационной силы, которая воздействовала бы на мишень бесконечных поперечных размеров (т е приводит к погрешности менее 2 %) (14) Равенство верно для круглой поглощающей мишени в поле непрерывно излучающего экранированного круглого поршневого ультразвукового преобразователя радиуса а в непоглощающей среде Равенство имеет следующий вид

г- а(1/(1 ♦ 0,53т, а) * т, sj.    (А.1)

где    1)    = 0,98 + 0,01 лка.

т, =т0^ Ат.

т0 = /са/(2л(ц2-1)1'2);

Ат -

0.7.    если ка 5 9,3;

6.51//са, если 9.3 £ ка £ 65,1; 0,1,    если 65,1 £ ка.

где г — расстояние между мишенью и ультразвуковым преобразователем /.— длина ультразвуковой волны в среде распространения, к = 2л//. — волновое число;

s = z '/Ja2 — расстояние между мишенью и ультразвуковым преобразователем, нормированное к протяженности ближнего поля

Равенство (А.1) может быть решено и для $, если необходимо получить максимальное значение нормированного расстояния между ультразвуковым преобразователем и мишенью заданного радиуса г Влияние поглощения и акустического течения рассматривается отдельно

В порядке предосторожности в соответствии с 5 3 г ни при каких условиях не должен быть менее 1,5а. даже если это допускает равенство (А. 1).

Таким образом, приведенное выше равенство применяют для поглощающей мишени, но его также можно использовать для того, чтобы определить, подходит ли отражающая мишень для измерений в случае расходящегося пучка

В случае с выпуклым коническим отражателем с полууглом 45° существует предельное значение ка для преобразователя. ниже которого требования к приведенному выше равенству не могут быть выполнены независимо от размера отражателя, даже если вершина конуса отражателя настолько близка к преобразователю, насколько это возможно, т. е касается его поверхности Это предельное значение составляет ка = 17,4

А 5 3 2 Прямоугольный преобразователь поршневого типа

Равенство (А.1) можно применить и для прямоугольного преобразователя поршневого типа, измеряемого с помощью круглой поглощающей мишени радиусом г И в этом случае равенство определяет минимальное значение радиуса, который обеспечивает улавливание по меньшей мере 98 % радиационной силы которая бы воздействовала на мишень бесконечных поперечных размеров

Я = Л^1 ♦HT1s)*/»ht1s,    (А    2)

где

ц = 0.53

ц = 0,98 + 0,01 xkhh.

т, =т0> Ат.

t0 = *V[2x<.i2-1)1'2r.

Ат =

где s = z)Jkhh hh = 2/{Mbx+Mby)

Л</=(Ь*2* V>,/2

0.7. если khh £ 9,3; 6,51/Wj* если 9,3 £ khh £ 43,4; 0,15. если 43,4 £

формальное выражение дистанции, которое не следует относить к протяженности ближнего поля,

гармоническое среднее двух половин ортогональных размеров преобразователя, полудиагональ преобразователя

В порядке предосторожности в соответствии с 5 3 г не должен быть менее 1,5 ha даже если это допустимо равенством (А 2)

А 5.3.3 Круглый фокусируемый преобразователь

В этом случае методика оценки, приведенная в (15), минимального значения радиуса г круглой поглощающей мишени отличается от изложенной в А 5 3 1 Причем критерием является необходимость улавливания по меньшей мере 98 % радиационной силы, которая воздействовала бы на мишень бесконечных поперечных размеров При этом используют величины a, d, к, г и у, перечисленные в разделе 4, но для d и z подставляют значения, определенные в плоскости, проходящей по краю активной части преобразователя

Примечание — Для преобразователя со сферической кривизной фокусное расстояние и расстояние до мишени отсчитывают от «дна» «чаши*, a d и z получают вычитанием глубины «чаши»

(АЗ) (А 4) (А 5) (А 6)

Приведенная ниже оценка верна для расстояний, лежащих в диапазоне от zJd = 0 до z/d = 2 Радиус требуемой мишени r/а, нормированный к радиусу преобразователя, приведен ниже для четырех значений z/d:

r/а = 1 для z/d = 0;

г/а= 0,5 + 6,24 (Ла siny)"0 885 для z/d = 0,5; r/а = 12,54 (ка siny)"0749 для z/d = 1; r/а = 1 ♦ 29,1 ■ (ка siny)-0-892 для z/d = 2.

Для других расстояний до мишени, находящихся между указанными выше значениями z/d. значения rla получают линейной интерполяцией

Примечание — Приведенная выше оценка соответствует наихудшему случаю равномерного и аподизи-рованного распределения амплитуд колебаний по поверхности преобразователя, но не применима для преобразователей с отверстием в его центре

А.5.4 Весы или система для измерения силы

Тип требуемых весов существенно зависит от максимального значения измеряемой ультразвуковой мощности Значение мощности 10 мВт эквивалентно радиационной силе 6,7 мкН (в воде для поглощающей мишени), что соответствует массе 0,68 мг, значение мощности 10 Вт соответствует радиационной силе 6,7 мН, эквивалентной массе 0,68 г

В первом случае наиболее подходящим инструментом будут электронные самокомпенсирующие микровесы, в последнем случае могут быть использованы электронные или механические лабораторные весы [16] И в том и в другом случае необходима компенсация смещения мишени относительно первоначального состояния.

Если устройство для измерения уравновешивающей силы градуируют посредством малых грузиков известной массы, иначе говоря, если показания этого устройства приведены в единицах массы, то результат измерения в единицах массы умножают на ускорение свободного падения ддля его преобразования в значение силы Если результаты измерений приведены в миллиграммах (или в граммах), умножение на д определяет значение силы в микроньютонах (или в миллиньютонах соответственно). При преобразовании силы в ультразвуковую мощность в соответствии с формулой, приведенной в приложении В, используют значение скорости звука в метрах на секунду, например с = 1491 м с-1 для чистой воды при температуре 23 °С, что определяет значение мощности в микроваттах (или в милливаттах соответственно).

Численное значение д зависит от места расположения весов Это следует учитывать в каждом конкретном случае Например, для Центральной Европы д = 9,81 м с-2, но и это значение будет зависеть от высоты над уровнем моря

А.5.5 Сосуд (бак) измерительного устройства

Необходимо гарантировать, чтобы ни мишень, ни другие части измерительного устройства не являлись источником нежелательных отражений ультразвукового излучения, а также чтобы отраженные сигналы не были направлены и не воздействовали на ультразвуковой преобразователь В противном случае измеряемая мощность не будет равной значению, соответствующему условиям свободного поля

При использовании отражающей мишени оказываются критичными отражения от стенок бака Их влияние на измеряемую мощность зависит от геометрии бака Если в поперечном сечении бак цилиндрический, все отражения могут возвратиться на мишень и. отразившись от нее, на преобразователь Именно этим обосновано требование 5.5, чтобы энергия сигналов, отраженных от стенок бака, покрытых звукопоглощающим материалом, не превышала 1 % энергии, излучаемой ультразвуковым преобразователем

В том случае, когда измерительный бак установлен непосредственно на чашу весов (см схему на рисунке F 4 приложения F), следует обеспечить, чтобы бак располагался точно по центру чаши

А.5.6 Система подвески мишени

Если мишень подвешена на проволочках, проходящих через поверхность жидкости, то их диаметр должен быть по возможности малым, чтобы снизить погрешности измерений, которые могут быть вызваны неполной смачиваемостью проволочек или частичками пыли Использование проволочек малого диаметра наиболее важно в

том случае, когда ультразвуковой преобразователь установлен над мишенью (излучение вниз), как это показано на рисунке F.5 приложения F.

Примечания

1    Наиболее подходящей в этом случае является опатино-иридиевая проволока диаметром от 60 до 80 мкм

2    Влияние проволочек подвески может быть проверено градуировкой системы с помощью грузиков известной массы и мишени, подвешенной в воде в соответствии с 7 2 и А 7 2 приложения А

При использовании установки, показанной на рисунке F4 приложения F, следует выполнить специальные указания, связанные с тем, что внешняя поверхность преобразователя будет влиять на силу поверхностного натяжения воды Для стабилизации уровня воды рекомендуется сделать небольшую временную выдержку перед тем. как начать измерения

А.5.7 Установка преобразователя Дополнительная информация отсутствует

А.5.8 Пленки, защищающие от влияния акустических течений

Как правило, рассматривают два типа течений: тепловую конвекцию, которая существенна в случае применения ультразвукового преобразователя, нагревающегося при работе, и акустическое течение, связанное с ультразвуковым затуханием, наблюдающимся в первую очередь в высокочастотном диапазоне

Если поглощение энергии вдоль траектории распространения звука значительно (из-за длинного пути распространения и/или высокой частоты излучения), то может проявиться акустическое течение [17) Его эффект может быть компенсирован (а) введением поправок в результаты измерения радиационной силы, (Ь) использованием пленки, защищающей мишень от воздействия этого течения, или (с) изменением расстояния до мишени и экстраполяцией результатов измерения радиационной силы к нулевому расстоянию

Используемая пленка должна быть по возможности тонкой, чтобы оптимизировать характеристики ее пропускания Этот аспект является доминирующим на высоких частотах А.5.9 Акустическая связь с преобразователем

При точных измерениях во избежание влияния импеданса промежуточного слоя (пленки) ультразвуковой преобразователь должен быть непосредственно связан с измерительной жидкостью Это особенно важно для очень чувствительных высокоточных систем уравновешивания, в которых ультразвуковой пучок направлен вертикально вверх [18], [19] (см рисунок F1 приложения F) Устранение влияния импеданса пленки особенно важно для измерений высокодобротных ультразвуковых преобразователей

Подробные схемы устройств с согласующей мембраной для подобных измерений представлены в [20] Устройства с согласующей мембраной будут хорошо работать при измерениях поля широкополосных ультразвуковых преобразователей, если «антипотоковая* пленка установлена в соответствии с 5 8 и если потери на прохождение звука через нее определены независимо А.5.10 Калибровка

Если калибровка с помощью грузиков малой массы является проверкой только весов, то калибровка посредством эталонного ультразвукового преобразователя — это проверка всей системы уравновешивания

А.6 Условия измерений

А.6.1 Боковое смещение мишени

Для отражающей мишени выпуклого типа рекомендуется обратить внимание на то, чтобы мишень не смещалась от центра под воздействием ультразвукового пучка Мишень может перемещаться в область более низкой интенсивности, и угол падения звукового пучка на мишень может изменяться

Этот эффект зависит главным образом от значения излучаемой мощности, пространственного распределения интенсивности в пучке и типа подвески мишени

А.6.2 Дистанция от преобразователя до мишени

Расстояние между поверхностью ультразвукового преобразователя и мишенью или пленкой (при ее использовании) и мишенью должно быть по возможности малым, чтобы поглощение ультразвука вдоль звукового пути не вызывало акустических течений

Примечание — Минимально возможное расстояние может быть ограничено формой или ориентацией мишени или преобразователя, влиянием нагрева последнего, акустическими отражениями или другими эффектами

Поглощающая мишень всегда может быть установлена достаточно близко к ультразвуковому преобразователю. что снимает проблемы, связанные с расхождением ультразвукового пучка

Для отражающей мишени вогнутого типа важно предотвратить воздействие отраженной волны на ультразвуковой преобразователь Поэтому мишень этого типа должна быть установлена на расстоянии, обеспечивающем исключение такого взаимодействия [21) Минимальное расстояние зависит от конкретной ситуации и должно быть определено в каждом случае индивидуально

С другой стороны, вершина отражающей мишени выпуклого типа может быть расположена фактически в контакте с поверхностью ультразвукового преобразователя, но это не означает, что мишень закрывает все полупространство, в которое излучает ультразвуковой преобразователь Даже если почти все поле попадает в выпуклый конус (в случае расходящегося пучка), то углы падения периферийных частей поля будут отличаться

от подразумевающихся в формуле для плоской волны, что может привести к снижению действующей радиационной силы Если возникают неясности относительно того, что поле ультразвукового преобразователя может быть недостаточно коллимированным (это может быть в первую очередь при малых значениях ка, т е на низких частотах и/или при малом диаметре ультразвукового преобразователя), то расстояние между ультразвуковым преобразователем и мишенью рекомендуется изменять и делать повторные измерения Снижение радиационной силы с увеличением расстояния, большее, чем определяемое ультразвуковым поглощением, показывает, что размер или тип мишени выбран неудачно

Если для измерений высокой мощности используют поглощающую мишень, то расстояние между преобразователем и мишенью не рекомендуется выбирать слишком малым Поглощаемый ультразвук будет нагревать поглощающий материал На малых расстояниях из-за прямой передачи тепла от поглотителя могут измениться характеристики преобразователя А.6.3 Вода

Для предотвращения кавитации при измерении выходной мощности более 1 Вт используют только дегазированную воду При низких уровнях выходной мощности дегазированная вода — наиболее предпочтительный вариант для точных измерений, однако во многих случаях, если принять меры для того, чтобы на поверхностях ультразвукового преобразователя и мишени отсутствовали пузырьки воздуха, можно применять дистиллированную воду без ее дополнительной дегазации

Примечания

1    Со временем увеличивается количество растворенного в воде кислорода (см приложение D и IEC/TR 62781) Скорость этого увеличения зависит от размеров бака и от перемешивания воды

2    Использование добавок для предотвращения кавитации описано в 1ЕСЯЛ 62781

3    Если используемая вода насыщена воздухом, то в процессе измерений при нагреве воды в ней будут образовываться пузырьки воздуха Причиной этого является снижение растворимости газа при повышении температуры воды

А.6.4 Контакт с водой

Поверхности ультразвукового преобразователя мишени и пленки (если она применяется) рекомендуется аккуратно (чтобы не повредить) смачивать для удаления с них пленки воздуха, что достигается выдержкой этих частей в дегазированной воде перед началом измерений Для некоторых материалов продолжительность эффективного смачивания может достигать нескольких часов

Примечание — Дегазация поглощающей мишени вместе с водой предотвращает возможные проблемы со смачиванием поглощающего материала в тех случаях, если это не повредит самому материалу поглощающей мишени

А.6.5 Условия окружающей среды

Измерительный сосуд (бак) рекомендуется закрывать сверху, чтобы предотвратить тепловые конвекционные потоки в измерительной жидкости, вызванные эффектами охлаждения из-за испарения на поверхности жидкости Если используют измерительную установку, представленную на рисунке F 4 приложения F, может оказаться затруднительным или невозможным закрыть измерительный сосуд, и тогда необходимо вводить поправки в показания весов на дрейф, вызванный испарением с поверхности воды

Рекомендуется измерять температуру жидкости (воды) в баке, так как значение скорости звука в воде, необходимое для вычисления измеренной мощности, зависит от температуры (см также А 7 10 приложения А)

Примечание — Влияние внешних вибраций и воздушных потоков можно заметить по показаниям весов

А.6.6 Тепловой дрейф

Тепловой дрейф можно наблюдать и при применении отражающих мишеней, но в меньшей степени Влияние изменения плавучести мишени значительно снижается в системах, показанных на рисунке F 4 приложения F, но даже в этом случае рекомендуется записывать показания весов как функцию времени

А.7 Погрешность измерений А.7.1 Общие положения

Дополнительная информация отсутствует

А.7.2 Система уравновешивания с подвеской мишени

Это требование обеспечивает автоматический учет влияния проволочек подвеса, пересекающих водную поверхность

А.7.3 Линейность и разрешающая способность системы уравновешивания

Дополнительная информация отсутствует

А.7.4 Экстраполяция к моменту включения ультразвукового преобразователя

Дополнительная информация отсутствует А.7.5 Несовершенства мишени

Строго говоря, для оценки влияния несовершенства мишени на точность измерения радиационной силы требуется знать поток энергии всех нежелательных волн, распространяющихся от мишени во всех направлениях

Так как данные знания практически недоступны, считается достаточным описываемое ниже упрощенное приближение (модель) распространения плоской волны При этом предположении акустическое радиационное давление равно плотности полной акустической энергии Волна, пропускаемая поглощающей мишенью (как, например, в устройстве, приведенном на рисунке F la приложения F) в прямом направлении, приводит к уменьшению радиационной силы, определяемой плотностью проходящей энергии, т, е энергии, существующей позади мишени Величину этого эффекта можно определить, если рассматривать мишень как препятствие и измерять радиационную силу с помощью дополнительной мишени, расположенной непосредственно за первой Следует заметить, что отражение волны, прошедшей через мишень, от поверхности воды в устройстве, показанном на рисунке F la приложения F, удвоит уменьшение измеряемой радиационной силы

Отраженная или рассеянная в обратном направлении поглощающей мишенью волна приводит к завышению измеряемого значения радиационной силы, что обусловлено плотностью отраженной энергии Для плоской поглощающей мишени этот эффект может быть оценен сравнением отраженного от нее импульсного сигнала с сигналом от идеального отражателя Однако для мишени со сложной поверхностью данное измерение определяет только пространственно когерентную составляющую, а не суммарную отраженную энергию В этом случае отраженная энергия может быть оценена сканированием гидрофоном и интегрированием квадратов измеренного давления в поле отражений (см МЭК 62127-2) В альтернативном варианте для получения верхнего предельного значения отражений могла бы быть использована другая информация о свойствах поглотителя (полученная, например. как отражательная способность эквивалентного плоского образца). Измеряемая мощность может увеличиваться и при воздействии отражений от мишени на ультразвуковой преобразователь, что изменяет его выходные характеристики (8) Эффект такой интерференции может быть минимизирован слабым наклоном мишени или использованием лучшей мишени Если интерференция имеет место, то это приводит к периодическим изменениям радиационной силы, что может наблюдаться при изменении частоты или расстояния между преобразователем и мишенью (8) Погрешность, вызванная остаточными эффектами интерференции, может быть оценена по амплитуде этих отклонений

Примечание — Характеристики отражения или обратного рассеяния поглощающей мишени могут зависеть от угла падения, что особенно важно для косо падающего пучка (при сканировании) Это можно проверить с помощью достаточно коллимированного преобразователя, установив его коллинеарно устройству измерения силы и затем наклонив поглощающую мишень (но не преобразователь или весы) Следует убедиться в том, чтобы угол наклона был не слишком большим и мишень по-прежнему перекрывала весь пучок Для совершенной поглощающей мишени результат измерения не будет зависеть от угла ее наклона

Предыдущие рассуждения о проходящей волне и ее влиянии верны и для отражающих мишеней Однако отраженные волны могут приходить как от мишени, так и от боковых поглотителей (см рисунки Fib, F2 и F6 приложения F). что должно быть исследовано более тщательно

В общем случае большинство реальных оценок точности будут получены сравнительными измерениями с мишенями различных типов Акустические свойства мишеней существенно изменяются с частотой, и поэтому оценка неопределенности должна быть сделана на каждой заданной частоте Это особенно важно для частот менее 2 МГц, на которых трудно получить совершенную мишень

В целях уменьшения влияния когерентных отражений рекомендуется проводить по два измерения с усреднением их результатов на расстояниях, отличающихся на 1/4)„ где). — длина акустической волны в среде распространения (воде)

А.7.6 Геометрия отражающей мишени

Угол конической отражающей мишени влияет на результат измерения (см В 2 приложения В) В частности, если полуугол конуса в отражателе выпуклого типа с номинальным значением 45’ лежит в пределах (45 ± 1)в. то связанная с этим неопределенность измерения мощности составит ±3,5 % Если полуугол конуса вогнутого отражателя с номинальным значением 63° (что означает 0 = 27° в В 2 приложения В) лежит в пределах (63 ± 1)в, то связанная с этим неопределенность измерений мощности составит ±1,8 %

Примечание — В приложении Е приведена дополнительная информация о влиянии размера мишени на результат в случае расходящегося звукового пучка

А.7.7 Боковые поглотители для измерений с отражающей мишенью

Несовершенства боковых поглотителей в устройствах, приведенных на рисунках F,1b, F2. F5b и F6 приложения F, увеличивают интенсивность отраженных волн, возвращающихся на мишень, что приводит к увеличению измеренного значения радиационной силы Помимо того, что плотность отраженной энергии значительна в этих некогерентных условиях, также могут иметь место эффекты интерференции (см А 7.5 приложения А)

А.7.8 Плохая ориентация мишени

Рассмотрена ситуация, когда ультразвуковой преобразователь и устройство измерения силы коллинеар-ны друг другу, но угловая ориентация мишени неправильная

В то время как радиационная сила действующая на идеальную поглощающую мишень, в соответствии с формулой, приведенной в В 1 приложения В, нечувствительна к наклону мишени, измерения в случае отражающей мишени зависят от правильности ее ориентации Например, угловая погрешность ±1° для плоского отражателя с углом 45° приводит к связанной с этим неопределенности измерения мощности, равной ±3,5 % Влияние

разориентации для конической отражающей мишени выразить универсальной формулой не представляется возможным, но в общем случае оно будет существенно меньшим, чем для плоской мишени, в частности если мишень расположена по оси пучка Что касается 45°-ной конической отражающей мишени, центрированной в цилиндрически симметричном пучке, то ее чувствительность к угловой разориентации снижается еще больше

Преимущество вогнутой конической отражающей мишени в том. что в зависимости от типа подвеса она будет самоцентрироваться симметрично ультразвуковому пучку

А.7.9 Плохая ориентация ультразвукового преобразователя

Рассмотрена ситуация, когда мишень и устройство измерения силы коллинеарны друг другу, но ультразвуковой преобразователь расположен или ориентирован неправильно

Для идеальной поглощающей мишени значительных размеров радиационная сила пропорциональна косинусу угла разориентации Для 45°-ной выпуклой конической отражающей мишени максимальная неопределенность. вызванная разориентацией, может быть равной ±3 %. если максимальные ошибки установки и угловой ориентации оцениваются ±3 мм и ±3*. что представляется реалистичным при регулировке на глаз [22]

Если при повторных измерениях ультразвуковой преобразователь извлекается из устройства между измерениями. то неточная установка и ориентация преобразователя войдут в оценку случайной погрешности измерения Но может иметь место и некоторая систематическая составляющая, связанная с этими причинами А.7.10 Температура воды

Из-за температурной зависимости скорости звука в воде [23] погрешность измерения температуры ±1 вС приводит к неопределенности измерения мощности ±0.2 %

Может наблюдаться значительное повышение температуры при проведении измерений мощности свыше 1 Вт Следует быть внимательным и принимать в расчет действительное повышение температуры А.7.11 Затухание ультразвука и акустические течения

Значение мощности, вычисленное по результатам измерений радиационной силы, относится к положению мишени на определенном осевом расстоянии от ультразвукового преобразователя Однако часто обращают внимание на излучаемую мощность, приведенную к поверхности ультразвукового преобразователя Ниже рассмотрена возникающая при этом дополнительная неопределенность

Это рассмотрение в основном рассчитано на измерительные системы, представленные на рисунках F.1, F.2, F.3, F5. F6 и F7 приложения F Для системы измерений, приведенной на рисунке F4 приложения F, эти эффекты кажутся менее значимыми, но там. где эти эффекты наблюдались, их происхождение неизвестно Для такой системы рекомендуется иная методика введения поправок по сравнению с той, которая изложена ниже

Существуют две базовые модели для расчета разницы между отмеченными выше значениями мощности Первая из них учитывает только влияние затухания ультразвука В этом случае делают поправку в виде экспоненциального коэффициента (см В 3 2 приложения В) Вторая включает эффекты акустического течения вдоль пути свободного распространения к фронтальной стороне мишени Для поглощающей мишени при известных идеальных условиях по теореме Боргниса [24] эффекты затухания и акустического течения компенсируют друг друга, значит, и не нужно вводить поправку Поведение реальных мишеней (как поглощающих, так и отражающих) находится между базовыми моделями [17] Поэтому рекомендуется рассматривать размах неопределенностей, равный разнице между некорректированным значением измеренной мощности и ее значением, учитывающим затухание [25] Этот вклад в погрешность зависит от расстояния до мишени и доминирует, когда измерения проводят в диапазоне высоких мегагерцовых частот

Альтернативный метод оценки заключается в измерении мощности как функции расстояния до мишени и экстраполяции результатов к нулевой дистанции посредством алгоритма регрессии, базирующегося на линейном или экспоненциальном законе зависимости от расстояния Измеренные значения не будут точно соответствовать этой зависимости, т е будет наблюдаться некоторый экспериментальный разброс, и тогда для получения оценки неопределенности результата экстраполяции используют стандартные математические процедуры

Для мишени с неплоской поверхностью трудно определить эффективное расстояние до нее При этом полезно учитывать, что средняя высота конуса или пирамиды равна 1/3 расстояния от вершины до основания при отсчете от основания или 2/3 при отсчете от вершины Это правило можно применять, когда используют отражающие мишени конической формы или поглощающие мишени с клиньями пирамидообразной формы Для воображаемого идеального цилиндрического пучка, падающего на выпуклую коническую мишень, эффективное расстояние до мишени равно 2а/(3 tg 4). где в — радиус пучка, ас-полуугол конуса А.7.12 Свойства пленки Дополнительная информация отсутствует А.7.13 Конечность размера мишени

Приведенная в А 5 3 приложения А формула для минимального размера мишени базируется на 2 %-ном критерии Если действительная ширина мишени более чем на 50 % превышает определенное по А.5.3 значение, то имеет смысл оценить ее вклад в погрешность только как 1 % или даже менее [14] Рекомендуется, однако, проверить зависимость радиационной силы от расстояния до мишени в соответствии с А 6 2. принимая в расчет затухание и акустические течения (см 7.11)

Иными словами, приведенные формулы справедливы для поглощающей мишени Приведенные в А 5 3 и в приложении Е ограничения применимы для выпуклых конических мишеней 16

Содержание

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

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

3    Термины и определения...............................................................2

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

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

5.1    Общие положения................................................................3

5.2    Типы мишеней....................................................................4

5.3    Диаметр мишени..................................................................4

5.4    Весы/система измерения силы......................................................5

5.5    Сосуд измерительного устройства...................................................5

5.6    Система подвески мишени..........................................................5

5.7    Система позиционирования преобразователя..........................................5

5.8    Пленки, защищающие от акустических течений........................................5

5.9    Акустический контакт с преобразователем............................................5

5.10    Калибровка.....................................................................5

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

6.1    Поперечное расположение мишени ..................................................6

6.2    Расстояние между преобразователем и мишенью......................................6

6.3    Вода............................................................................6

6.4    Контакт с водой...................................................................6

6.5    Условия окружающей среды........................................................6

6.6    Тепловой дрейф..................................................................6

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

7.1    Общие положения................................................................7

7.2    Система уравновешивания с подвеской мишени.......................................7

7.3    Линейность и разрешение системы уравновешивания...................................7

7.4    Экстраполяция к моменту включения ультразвукового преобразователя....................7

7.5    Несовершенство мишени...........................................................7

7.6    Геометрия отражающей мишени.....................................................7

7.7    Боковые поглотители для измерений с отражающей мишенью............................7

7.8    Смещение мишени................................................................8

7.9    Неточность установки ультразвукового преобразователя.................................8

7.10    Температура воды...............................................................8

7.11    Затухание ультразвука и акустические течения........................................8

7.12    Свойства пленок.................................................................8

7.13    Конечность размера мишени.......................................................8

7.14    Плосковолновое приближение.....................................................8

7.15    Влияние сканирования............................................................8

7.16    Влияние условий окружающей среды................................................8

7.17    Измерение напряжения возбуждения................................................8

7.18    Температура ультразвукового преобразователя.......................................8

7.19    Нелинейность...................................................................9

7.20    Ускорение свободного падения.....................................................9

7.21    Другие источники................................................................9

А.7.14 Плосковолновое приближение

Если поле имеет сходящуюся или расходящуюся структуру, то применение формул из раздела В 2 приложения В для плоской волны не совсем корректно Теоретические оценки границ погрешностей, вызванных применением этих формул для фокусируемых полей и для поглощающей мишени, приведены в разделах В.5 и В 6 приложения В (см [26]—[28]). Теоретические оценки границ погрешностей, вызванных применением данных формул для расходящихся полей и поглощающей мишени, приведены в разделе Е 1 приложения Е (см [29]. [30]) Обсуждение ситуации с расходящимися полями для выпуклой конической отражающей мишени приведено в разделе Е 2 приложения Е

А.7.15 Влияние сканирования Дополнительная информация отсутствует А.7.16 Влияние условий окружающей среды

Неопределенности, связанные с внешними вибрациями, воздушными потоками и изменением температуры, оценивают путем повторных измерений В идеале рекомендуется выполнить по меньшей мере четыре цикла измерений. предпочтительно в разные дни, причем каждый цикл должен включать не менее четырех повторных измерений. выполняемых непрерывно

А.7.17 Измерение напряжения возбуждения

В общем случае погрешность измерения напряжения возбуждения ультразвукового преобразователя не влияет на погрешность измерения выходной мощности Если, однако, выходную мощность одного и того же ультразвукового преобразователя измеряют в различных лабораториях (например, в целях сличения), то должны быть учтены возможные различия в амплитуде напряжения возбуждения Так как выходная мощность пропорциональна квадрату приложенного напряжения и в таких случаях, как правило, пользуются значением излучающей способности 6. то неопределенность измерения напряжения удваивается при ее включении в суммарную неопределенность для G.

Примечание — Когда речь идет о напряжении возбуждения, важно, чтобы оно было измерено непосредственно на входе ультразвукового преобразователя

Рекомендуется, чтобы измерения и фиксирование напряжения возбуждения были проведены в процессе каждого измерения выходной мощности, чтобы затем можно было определить значение напряжения для каждого требуемого уровня выходной мощности или для вычисления излучающей способности Эти данные используют и для выявления нестабильностей различного рода

А.7.18 Температура ультразвукового преобразователя

Изменение выходной мощности при изменении температуры ультразвукового преобразователя может иметь значение, если проводят сравнительные измерения в различное время и в различных местах Иногда это изменение может быть очень значительным (например, 5 % на 1 *С), в частности для многослойных, согласованных по импедансу ультразвуковых преобразователей Изменение температуры может быть вызвано изменением окружающих условий или рассеянием тепла в самом ультразвуковом преобразователе

Повышение температуры преобразователя может вызывать также тепловые конвекционные потоки, которые могут изменять показания весов

Эти эффекты могут быть оценены исследованием радиационной силы в зависимости от времени непрерывной работы ультразвукового преобразователя А.7.19 Нелинейность

a)    Линейность системы уравновешивания, включая подвеску мишени проверяют при ее градуировке посредством нескольких грузиков различной массы или измерениями с помощью заведомо линейного ультразвукового преобразователя (см 7.2) мишенью, расположенной ближе, чем 10 мм от него,

b)    в соответствии с 6 3 и 6 4 используют дегазированную воду при абсолютном отсутствии воздушных пузырьков Если воздушные пузырьки присутствуют или имеется кавитация в ультразвуковом поле, то измерения мощности могут быть существенно неверными Какой-то общей оценки этим источникам погрешности дать нельзя Общей оценки этих источников погрешности не существует

Более подробная информация о дегазации воды и кавитации приведена в приложении D.

c)    затухание ультразвука и акустические течения могут сопровождаться нелинейностями Если расстояние между ультразвуковым преобразователем и мишенью или наименьшее расстояние до мишени (в экспериментах с изменением расстояния) менее 10 мм. то следует руководствоваться А.7.11. Если расстояние между ультразвуковым преобразователем и мишенью или наименьшее расстояние до мишени (в экспериментах с изменением расстояния) 10 мм или более, то вероятно возникновение дополнительных погрешностей, связанных с нелинейностями, но общая оценка этого отсутствует

Может показаться, что этот эффект можно проверить с помощью линейного эталонного ультразвукового преобразователя с известной выходной мощностью Следует отметить, что нелинейные явления при затухании ультразвука и акустических течениях могут зависеть от волновой формы и от величины пика давления, и тогда результаты испытаний, полученные с линейным эталонным ультразвуковым преобразователем, чья волновая форма выходного сигнала отличается от той, которая воспроизводится измеряемым преобразователем, не будут абсолютно убедительными;

Приложение А (справочное) Дополнительная информация об особенностях измерений

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

Приложение В    (справочное) Основные формулы..........................................19

Приложение С    (справочное) Другие методы измерения    мощности ультразвука..................23

Приложение D    (справочное) Среда распространения и    дегазация............................24

Приложение Е (справочное) Измерение радиационной силы при расходящихся ультразвуковых

пучках.................................................................25

Приложение F (справочное) Ограничения, связанные с различной компоновкой системы

уравновешивания........................................................28

Приложение ДА (справочное) Сведения о соответствии ссылочных международных стандартов

национальным стандартам..............................................32

Библиография........................................................................33

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственная система обеспечения единства измерений

МОЩНОСТЬ УЛЬТРАЗВУКА В ЖИДКОСТЯХ

Общие требования к выполнению измерений методом уравновешивания радиационной силы

State system for ensuring the uniformity of measurements Ultrasonic power in liquids General requirements to measunng by method of radiation force balance

Дата введения — 2020—09—01

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на методы 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 повышения температуры среды;

-    количественные ограничения применения метода, обусловленные расхождением или фокусированием ультразвукового пучка;

-    сведения об оценке акустической мощности для сходящихся и расходящихся ультразвуковых пучков методом измерения радиационной силы;

-    сведения о суммарной неопределенности результатов измерения.

В настоящем стандарте приведена информация об оценке акустической мощности для сходящихся и расходящихся ультразвуковых пучков методом измерения радиационной силы, а также суммарной неопределенности результатов измерения.

Настоящий стандарт применим:

-    к измерениям мощности ультразвука, не превышающей 1 Вт в диапазоне частот от 0,5 до 25 МГц, с использованием системы уравновешивания радиационной силы звуковой волны;

-    измерениям мощности ультразвука не более 20 Вт в диапазоне частот от 0,75 до 5 МГц с использованием системы уравновешивания радиационной силы звуковой волны;

-    измерениям полной мощности ультразвукового поля в виде коллимированного, расходящегося или сфокусированного пучков;

-    системам уравновешивания радиационной силы с использованием гравитации или обратной связи.

(См.А.1 приложения А.)

Примечания

1    Сфокусированный пучок является сходящимся в области, расположенной до фокуса, и расходящимся за его пределами

2    Измерения ультразвуковой мощности в полях высокой интенсивности (HITU). т е более 1 или 20 Вт на частотах не более 25 или 5 МГц соответственно, изложены в МЭК 62555

Издание официальное

2    Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использована нормативная ссылка на следующий стандарт. Для датированных документов применяют только указанное издание ссылочного стандарта, а для недатированных — последнее издание, включая все изменения.

IEC 61689:2007, Ultrasonics — Physiotherapy systems — Field specifications and methods of measurement in the frequency range 0.5 MHz to 5 MHz (Ультразвук. Аппараты для ультразвуковой терапии. Требования к параметрам излучаемого поля и методам их измерения в диапазоне частот от 0.5 до 5 МГц)

3    Термины и определения

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 попе в гомогенной изотропной среде, влиянием границ которой на звуковые волны можно пренебречь (изменено по сравнению с МЭК 60050-801:004).

3.3    выходная мощность Р, Вт (output power): Усредненная во времени ультразвуковая мощность излучения ультразвукового преобразователя в условиях свободного поля и в определенной среде, предпочтительно 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 Однако, строго говоря, радиационная сила на единицу площади является тензорной величиной (4). и с точки зрения строго научной терминологии ее следовало бы относить к тензору акустических радиационных напряжений В настоящем стандарте предпочтение, как правило, отдается интегральному значению «акустической радиационной силы». Однако при употреблении 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.

Примечание — Эта величина использована для того, чтобы характеризовать электроакустическое преобразование ультразвуковых датчиков

Эту величину используют для определения параметров электроакустического преобразования ультразвуковых преобразователей.

4    Обозначения

В настоящем стандарте использованы следующие обозначения: а — радиус круглого ультразвукового преобразователя

Ьх. Ьу— V2 размера прямоугольного ультразвукового преобразователя в направлениях х и у соответственно (так что 2 Ьк и 2 Ьу — размеры длины его сторон). с — скорость звука (как правило, в воде).

dx. dy— геометрические фокусные расстояния фокусирующего ультразвукового преобразователя в плоскостях х—г и у—г соответственно. d — геометрическое фокусное расстояние фокусирующего ультразвукового преобразователя в том случае, когда dx = dy= d.

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

G    — радиационная проводимость.

hd — V2 диагонали прямоугольного преобразователя hd = (bx2 + Ьу2)1/2. hh — гармоническое среднее Ьх и Ьу как hh = 2/(1 /Ьх + MbJ. к — волновое число (к = 2я//.).

Р — выходная мощность ультразвукового преобразователя.

s — нормированное расстояние от круглого ультразвукового преобразователя (s = г tJa2). z — расстояние между мишенью и ультразвуковым преобразователем а — амплитудный коэффициент затухания плоских волн в среде (как правило, в воде).

IV Ру — фокальные полууглы прямоугольного фокусирующего ультразвукового преобразователя в плоскостях х—г и у—z соответственно.

рх = arctg(Ьх/с/х), ру = arctg(by/dy), если преобразователь плоский и его фокусные расстояния отсчитывают от плоскости его излучающей поверхности, у —фокальный (полу-)угол фокусирующего ультразвукового преобразователя; у = arcsin (а/У) для преобразователя сферической кривизны, если его фокусное расстояние отсчитывают от «дна» «чаши»;

у = arctg (а/d), фокусное расстояние которого отсчитывают от края активной части «чаши» или в том случае, если преобразователь плоский.

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

ности мишени.

>.    —    длина ультразвуковой волны в среде распространения (как правило, в воде),

р — плотность среды распространения (как правило, воды).

Примечания

1    Под направлением падающей волны в определениях для F и 0 подразумевается в более общем смысле ось звукового поля

2    Строго говоря, для фокусирующего преобразователя его форма и способ фокусирования не зависят друг от друга, т е круглый преобразователь может также иметь два различных фокальных угла Однако исходя из практики ультразвуковых измерений настоящий стандарт рассматривает только два варианта с однофокусным круглым преобразователем и с прямоугольным преобразователем, имеющим два фокальных угла (которые, конечно. могу быть равными).

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 измерить 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 выражениями, приведенными в приложении В. Калибровку системы можно выполнить посредством прецизионных грузиков известной массы.

Примечание — Возможные типы конструкции системы уравновешивания представлены на рисунках F1—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 известны с достаточной точностью, особенно те из них. которые имеют непосредственное отношение к зависимости измеряемой ультразвуковой мощности от радиационной силы (см. А.5.2.1 приложения А).

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

5.2.2    Для поглощающей мишени

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

-    амплитудный коэффициент отражения менее 3.5 %;

-    коэффициент поглощения акустической энергии не менее 99 % (см. А.5.2.2 приложения А).

5.2.3    Для отражающей мишени

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

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 полууглом конуса 45° не допускается (см. также А.5.3 приложения А).

Примечание — Значение а в строгом смысле 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 полууглом 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 полууглом конуса 45° не рекомендуется применять в тех случаях, когда расстояние zf от преобразователя до точки с максимальным значением давления составляет zf< 1/|(1/32а) + (лУа2)).

Эти условия фактически ограничивают применение выпуклых конических мишеней измерениями мощности нефокусирующих или слабо фокусирующих преобразователей. Однако если такие мишени используют для измерения мощности сильно фокусирующих преобразователей и применяют при этом выражение (В.6) приложения В. то необходимо принимать в расчет дополнительные погрешности, не указанные в разделе 7. Для косых пучков, имеющих место при сканировании, конические отражатели применять не рекомендуется.

(См. А.5.2.3 приложения А и раздел В.6 приложения В).

5.3    Диаметр мишени

Поперечный размер мишени должен быть достаточно большим, чтобы перекрыть всю значимую часть поля для того, чтобы измеряемая радиационная сила была не менее 98 % всей радиационной силы, воздействующей на мишень бесконечных поперечных размеров.

В связи с тем что на практике опорная радиационная сила не известна, для несфокусированных полей предлагается другое требование. Размер мишени в любом поперечном направлении должен быть по крайней мере в 1.5 раза более соответствующего размера (например, диаметра) ультразвукового преобразователя.

Рекомендация относительно того, должна или не должна мишень иметь диаметр в 1.5 раза более. 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 А.5.3 приложения А.

Для косых пучков, имеющих место при сканировании, т. е. когда ось пучка отклонена от оси системы уравновешивания радиационной силы, требуются мишени большего размера. В этом случае центр поперечного сечения поля в месте расположения мишени не совпадает с центром мишени, а смещен относительно него на определенное расстояние, зависящее от угла наклона и расстояния до мишени. В данном случае требуемый размер мишени необходимо увеличить на величину этого смещения.

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 его 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 [5], [6]. так и поглощающие мишени [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. А.5.5 приложения А).

5.5    Сосуд измерительного устройства

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

5.6    Система подвески мишени

При статическом уравновешивании элементы подвески мишени, передающие радиационную силу через поверхность раздела воды и воздуха, должны быть спроектированы таким образом, чтобы свести эффекты поверхностного натяжения к значению, меньшему 1 % суммарной измеряемой мощности (см. А.5.6 приложения А).

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 максимально близко к мишени, но не параллельно поверхности ультразвукового преобразователя (8J. 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. А.5.8 приложения А).

Примечание — На практике достаточно наклонить пленку на угол от 5* до 10° относительно поверхности преобразователя.

5.9    Акустический контакт с преобразователем

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

5.10    Калибровка

Систему уравновешивания радиационной силы следует калибровать с использованием малых грузиков известной массы.

Если измерительная система не является первичным эталоном, то ее следует калибровать, используя один или несколько ультразвуковых преобразователей с известной выходной мощностью, прослеживаемой к первичному эталону. Калибровку следует выполнять для нескольких значений частоты акустического воздействия и нескольких значений уровня выходной мощности, соответствующих диапазону измерений системы уравновешивания. В этом случае калибровку следует проводить

один раз в два года или чаще, если чувствительность системы к ультразвуковой мощности изменилась (см. А.5.10 приложения А).

Примечание — В настоящем стандарте под первичным эталоном подразумевают измерительную установку. которая принимает участие в международных ключевых сличениях или других международных сличениях, организуемых МКМВ/МБМВ

В зависимости от используемой установки для обеспечения точности измерений рекомендуется вводить поправки на дифракцию, углы фокусировки, энергию, не уловленную мишенью, на ее недостаточную отражающую или поглощающую способность, затухание ультразвука в воде при распространении от излучателя к мишени, акустические течения и пр.

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. А.6.1 приложения А).

6.2    Расстояние между преобразователем и мишенью

Расстояние между поверхностью ультразвукового преобразователя и мишенью или пленкой (если она используется) и мишенью рекомендуется выбирать по возможности малым для того, чтобы уменьшить влияние акустических течений, возникающих из-за поглощения ультразвука вдоль акустического пути (см. А.6.2 приложения А).

Расстояние между 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. А.6.2 приложения А).

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 производят строго определенным способом, изложенным в 1ЕСЯР 62781 и приложении D. Количество растворенного в дегазированной воде кислорода должно быть менее 4 мг/л в течение всего процесса измерений и достаточно низким для предотвращения возникновения кавитации. При обнаружении кавитационных пузырьков измерения следует прекратить (см. А.6.3 приложения А).

6.4    Контакт с водой

Перед началом измерений следует удостовериться в том, что с поверхностей активных элементов удалены все пузырьки воздуха. По окончании измерений следует вновь осмотреть эти поверхности. Если на них будут обнаружены пузырьки воздуха, то измерения следует признать неверными (см. А.6.4 приложения А).

6.5    Условия окружающей среды

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. А.6.5 приложения А).

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. А.6.6 приложения А).

6