液体中超声功率的测量

出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《计量专业工程师手册》第590页（3546字）

准确地测定液体中超声换能器的辐射功率，是建立超声计量标准及其量值传递的主要内容。国际推荐的最有用频率范围(0．5－25)MHz间的功率测量方法如下。

测量超声换能器的辐射功率有多种方法，可以在声场中的适当的障碍物(靶)上测量其所受辐射力；可用一已校水听器作超声场的平面扫描；也可用光衍射或量热法。其中，用辐射力法的优越性在于它所得的总辐射功率无需考虑声束全截面声场数值，并且测量装置易于操作，便于校准，因此成为国际上推荐的方法。辐射力法根据所测的功率值范围，分为两类测量系统：浮子系统或称实验室天平，适用于瓦级超声；微量天平用于毫瓦级甚至低于10微瓦级超声。

图11．4－15示出浮子技术的基本原理。浮子由一带标准柱的锥形反射体组成，顶柱浸入不溶于水且相对密度大于1的液体之中，如四氯化碳或四氯乙烯溶液。辐射力使浮子向较重液体中移动，直至产生等值的力，相应移动四氯化碳容器的位置，使超声换能器与浮子间的距离保持不变，即在声场中的同一位置作两次测量。浮子法校准的优点是易在浮上放砝码进行校准，此处浮子易于自定中心。近年来对这类测试系统提出不少改进，如链索式浮子辐射计(如图11．4－16)磁悬浮浮子系统(如图11．4－17)。这两种系统均避免了标柱穿过两种液体交界面时的粘附问题。

图11．4－15 浮子辐射计

图11．4－16 链索浮子辐射计

图11．4－17 磁悬浮浮子辐射计

辐射力天平

我们也可以用天平测量作用在吸收靶或反射靶上的辐射力。在瓦级范围，与反射靶联合使用的精密实验室天平是一种很有用的仪器，在毫瓦级范围，建议采用反馈微量天平。图11．4－18和图11．4－19给出一种精心设计的、很灵敏的、垂直向上辐射的超声功率计。为了达到高准确度与重复性，换能器应与水媒质直接耦合，特别对于Q值高的换能器，要求更为严格。例如，空气背衬换能器会受到表面压力的严重影响。

图11．4－18 带吸收靶的辐射力天平系统

图11．4－19 带反射靶的辐射力天平系统

在受超声辐射的液体与受大气环境压力作用的相邻媒质相接触的条件下(这种条件称为郎之万条件)，并假定超声波为小振幅平面波；以及在两媒质界面的辐射压力等于界面两侧总的声能密度的差值。在上述前提下，可用靶受辐射力在原声波传播方向的分量F，它与换能器声输出功率P的关系式为：

P=_cF(全吸收靶) (11．4－31)

式中 c为液体中的声传播速度；θ为原声波传播方向与反射之垂直方向间的夹角。

若力的测量装置已用已知值的小砝码校准过，或者直接用砝码质量值直接读出力的测量值，当然应将所得的质量值用重力加速度值g=9．81m·s^－2倍乘，以换算为力值。公式中的声速在23℃的纯水中为c=1491m·s^－1。若质量采用毫克，所得的力的单位为微牛；若量采用克，所得的力单位为毫牛。

以上公式还要满足三个假定，即：

(1)靶面应足够大，足以覆盖超声束的整个断面，即辐射在靶以外的声功率可以忽略不计。

(2)在声传播媒质中不存在超声吸收。如果存在吸收，则换能器的声输出功率应乘以e^2ax，x为靶与换能器间距；a为超声平面波在媒质中的振幅吸收系数，在MHz范围，a∞f²，对于23℃的纯水，a／f²=2．3×10^－4MHz^－2·cm^－1。

(3)确保靶体与测量装置的其它部分不存在明显的超声反射，或者反射不返回到换能器并与之作用。

以上假定基本适用平面波，这与换能器的近场使用不相适应，但实验指出，上述装置可以达到百分之几的准确度；此外，只要k(=2π／λ)足够大，使得ka》35时，则与平面波的偏差可达到±2%以内。

在测量实践中，为了防止水的空化，必须经过除气处理，在通常大气压下，要煮沸15分钟才能实现。也可在低于30mm水银柱时减压3小时以上。每次测量应在10小时过程内除气一遍。

此外，换能器与靶面应无气泡，即应完全浸入除气水中。

换能器与测量液体的直接耦合也十分重要，否则会引起附加间隙的阻抗转换。

靶的设计时，为防止大气压力改变而引起的浮力变化，材料的压缩性应尺可能小一些，吸收靶应保证声波到吸收材料上无反射，并将声能转变为热能。可采用有尖劈或无尖劈的合适的橡胶弹性材料制成圆盘吸收靶。制作材料不均匀可增加吸收特性。图11．4－19为尖劈吸收靶，不均匀性由尖劈处的零增加到占底部体积的30%。用直径为0．1mm数量级的空心玻璃球作不均匀体。它对橡胶弹性材料的密度及压缩性影响很小。

对于反射靶，主要问题是减少压缩性。通常可用45°角的刚性金属片制作的锥形反射靶。

靶的直径应尽可能大，当然也要考虑声场结构及与声源距离的具体情况。对于在非吸收媒质中的带障板圆形活塞的连续振动可采用

S=xλ／a² (11．4－33)

式中 x——为靶距；

λ——传播媒质中超声波长；

S——声波达靶面98%(即误差为2%)时的最小面积。

用以上装置作超声功率测量的准确度估计可达±10%。

【参考文献】：

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