黃勇軍 朱學(xué)文 王照霞

（第七一五研究所，杭州，310023）

聲功率是發(fā)射換能器和基陣設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)之一，常用的校準(zhǔn)方法有聲壓法、聲強(qiáng)法和近場(chǎng)法。而對(duì)于幾百kHz水聲發(fā)射器聲功率的校準(zhǔn)，隨著頻率增高，波長(zhǎng)變短，指向性變得更尖銳，遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量距離更遠(yuǎn)，對(duì)檢測(cè)水聽器的尺寸、一致性和線性都提出了更高的要求，常用的校準(zhǔn)方法已不太適用。

國(guó)際電工委員會(huì)的超聲技術(shù)委員會(huì)推薦輻射壓力法為 MHz頻率范圍內(nèi)液體中超聲功率測(cè)量的方法[1]。輻射壓力法是一種絕對(duì)的基本測(cè)量技術(shù)，沒有近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的限制，能直接測(cè)得總的輻射聲功率值，且測(cè)量裝置簡(jiǎn)單，易于操作和校準(zhǔn)。

利用輻射壓力法實(shí)現(xiàn)聲功率校準(zhǔn)有多種實(shí)現(xiàn)方法：磁電式力平衡機(jī)構(gòu)抵消法、電子天平測(cè)量法、荷重傳感器測(cè)量法、懸鏈系統(tǒng)測(cè)量法等，每種實(shí)現(xiàn)方式的裝置組成雖各有不同，但靶作為截取聲波能量的設(shè)備必不可少。靶可分為吸收靶和反射靶，吸收靶吸收熱量后產(chǎn)生溫升可能會(huì)對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果產(chǎn)生影響，本文選用反射靶構(gòu)建裝置。

利用反射靶進(jìn)行功率測(cè)量時(shí)，充滿水的測(cè)量水罐內(nèi)要布置輻射聲波的發(fā)射器和能截取全部輻射力的反射靶。通常為了避免側(cè)壁反射波對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，水罐圓周和上下內(nèi)表面都要貼敷吸聲材料。準(zhǔn)備工作階段，只能從水罐上部觀察、調(diào)整靶的初始狀態(tài)；全覆蓋狀態(tài)下，發(fā)射器與反射靶的距離無法確認(rèn)，太近，會(huì)使反射波直接回到發(fā)射器表面，而工作距離太遠(yuǎn)，反射靶可能就無法截取到絕大多數(shù)的輻射聲波，這樣就會(huì)影響校準(zhǔn)結(jié)果，因此一般需要改變多個(gè)距離測(cè)量來確保結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本文提出的半消聲水罐，是一種上下內(nèi)表面貼敷足夠吸聲材料，側(cè)壁光滑透明的圓柱型水罐，利用反射靶在此水罐內(nèi)開展超聲功率測(cè)量，可全方位確認(rèn)靶的初始狀態(tài)，實(shí)時(shí)觀察測(cè)量過程，提高測(cè)量有效性和工作效率。

1 工作原理

1.1 聲輻射力原理

輻射壓力法建立在對(duì)超聲波的輻射聲壓進(jìn)行測(cè)量的基礎(chǔ)上。在小振幅平面超聲場(chǎng)中，在兩種媒質(zhì)的交界面上會(huì)出現(xiàn)時(shí)間平均的單向壓力即輻射壓力，其值等于界面兩邊聲能密度的差值。在界面上產(chǎn)生的輻射壓力，可用置于超聲場(chǎng)中的靶來測(cè)量。如果障礙物（靶）的尺寸明顯大于聲波的波長(zhǎng)和超聲波波束的寬度，則超聲波對(duì)靶產(chǎn)生輻射壓力F，力F與發(fā)射頻率無關(guān)，而靶收集（攔截）到超聲波波束內(nèi)的總聲功率為：

式中，P表示超聲換能器輻射的總聲功率，W；F表示超聲波沿?fù)Q能器軸線方向作用于靶上的力，N；c表示超聲波在液體中的傳播速度，m/s；R表示在兩種介質(zhì)的交界處（邊界層）的聲波的反射系數(shù)；β表示靶面法線與入射聲束之間的夾角。

對(duì)于理想的反射型靶，其被測(cè)功率

懸鏈反射靶校準(zhǔn)裝置是輻射力法校準(zhǔn)聲功率的一種實(shí)現(xiàn)方式。在充滿水的水罐內(nèi)，懸浮著一個(gè)完全浸沒于水中的空心靶，靶上拖著細(xì)鏈，細(xì)鏈的上端固定在水罐。超聲波在入射到靶上時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)全反射。對(duì)于這種布置（見圖1），細(xì)鏈的重量分布在它的懸掛點(diǎn)（測(cè)量水罐壁和靶的底部）之間。對(duì)處于不同浸沒深度的靶，當(dāng)細(xì)鏈向下拉扯部分的重量與靶的正浮力相互抵消時(shí)，靶就可以達(dá)到平衡。

靶的位移與超聲輻射力成正比，輻射力可由公式（3）得到：

式中，x表示靶的位移，ρl表示細(xì)鏈在水中的線密度。g表示重力加速度。

圖1 水罐內(nèi)布置圖

1.2 半消聲水罐設(shè)計(jì)思路

水罐是懸鏈反射靶聲功率校準(zhǔn)裝置的重要組成部分，全消聲水罐上下和側(cè)壁全部敷設(shè)吸聲材料，雖能較好地消除各界面反射對(duì)校準(zhǔn)的影響，但也對(duì)輻射器工作姿態(tài)的調(diào)節(jié)和聲場(chǎng)條件的確認(rèn)造成許多不便。半消聲水罐的使用則可彌補(bǔ)這些不足。

半消聲水罐是指上下內(nèi)表面覆蓋了吸聲材料、側(cè)壁光滑透明的圓柱型水罐。在半消聲水罐開展超聲功率校準(zhǔn)工作時(shí)，主要是控制側(cè)壁反射信號(hào)不要入射到輻射器表面以免對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果造成影響。從圖2可見，當(dāng)圓柱形發(fā)射器一側(cè)邊緣發(fā)射的聲波經(jīng)靶反射后恰好從另一邊緣穿出而不落在發(fā)射器上時(shí)，圓柱形發(fā)射器到靶頂之間的距離為從靶到發(fā)射器之間的最短距離Lmin。因此，為了使發(fā)射的聲波經(jīng)水罐的側(cè)壁反射后不再落在發(fā)射器上，應(yīng)確定發(fā)射器與靶頂之間的最小工作距離Lmin：

式中，d為超聲發(fā)射器的直徑；2θ為凹形反射靶的圓錐頂角。

圓柱形發(fā)射器發(fā)射的聲波直接到達(dá)罐壁或經(jīng)靶反射后產(chǎn)生多途效應(yīng)（如圖3所示）。當(dāng)入射靶頂?shù)穆暡ń?jīng)靶面、罐壁二次反射后從最靠近換能器的邊緣穿出而不影響換能器時(shí)，此時(shí)發(fā)射器和靶頂之間的距離為最大工作距離Lmax為：

式中，D為半消聲水罐的直徑。

圖2 確定從靶到發(fā)射器之間的最短距離 Lmin的示意圖

圖3 聲波的多途反射示意圖

2 實(shí)驗(yàn)及分析

對(duì)于懸鏈反射靶聲功率校準(zhǔn)裝置來說，靶位移測(cè)量的準(zhǔn)確與否直接影響聲功率校準(zhǔn)的精度。而靶的位移是輻射聲波綜合作用的結(jié)果，若罐壁存在反射，輻射力和靶位移之間的線性關(guān)系就會(huì)受到影響。為此，半消聲水罐與懸鏈反射靶構(gòu)成的系統(tǒng)性能可以通過線性進(jìn)行驗(yàn)證。

選用亞克力透明材料制作了內(nèi)徑為150 mm、高度為300 mm的圓柱形水罐，用直徑為100 mm的中空倒圓錐反射靶。

半消聲水罐與懸鏈反射靶構(gòu)成的系統(tǒng)性能驗(yàn)證分兩部分：一是確定系統(tǒng)里反射靶位移的線性；二是確定輻射聲功率的線性。首先在靶上添加不同等分的固定質(zhì)量以檢查靶位移的線性，實(shí)驗(yàn)通過多個(gè)小鋼珠完成，用圖4（a）中Φ2 mm的小鋼珠。在水中處于零浮力、靜態(tài)平衡狀態(tài)的反射靶上輕放質(zhì)量已知的不同個(gè)數(shù)的鋼珠，放置方式如圖4（b）所示。按順序記錄不同質(zhì)量情況下靶的位移，利用Excel圖表繪出當(dāng)施加在靶上的質(zhì)量變化時(shí)靶的位移變化曲線。

圖4 反射靶位移線性及聲功率檢測(cè)布置圖

圖5（a）是反射靶所承受質(zhì)量與靶位移之間的關(guān)系圖，可以看出測(cè)量數(shù)據(jù)的連線基本為一直線，位移與質(zhì)量之比為常數(shù)，表明系統(tǒng)本身具有很好的線性。

然后再用實(shí)際的換能器發(fā)射，在半消聲水罐中校準(zhǔn)輻射聲功率，圖4（c）是聲功率校準(zhǔn)的聲場(chǎng)布置圖：凹形反射靶懸浮在水罐中，水罐的上下內(nèi)表面敷貼了吸聲材料，側(cè)壁保持光潔透明。安裝在水罐上蓋板的換能器發(fā)射頻率為500 kHz，直徑為Φ60 mm，凹形反射靶的圓錐頂角為130°，根據(jù)公式（4）可算出換能器和靶頂之間的最小距離為64.5 mm。調(diào)節(jié)好反射靶和換能器之間的距離后，記錄換能器的輻射功率從小到大變化時(shí)反射靶的位移，繪制出換能器輻射聲功率與靶位移之間的關(guān)系曲線如圖5（b）所示。圖中輻射聲功率與靶位移之間的比值為常數(shù)，發(fā)射換能器有良好的功率線性，同時(shí)也表明在滿足最小距離的情況下，半消聲水罐側(cè)壁反射回來的聲波都能很好地由上下蓋板的吸聲材料吸收，半消聲水罐可有效實(shí)現(xiàn)輻射聲功率的校準(zhǔn)。

圖5 半消聲水罐懸鏈反射靶系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論

一般換能器隨著頻率降低、輻射面增大、波束角變寬、所需靶尺寸變大，導(dǎo)致靶的研制難度增加、可靠性變差，校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度也會(huì)變大，因此輻射壓力法常用于開展 MHz頻段輻射聲功率的校準(zhǔn)。在懸鏈反射靶校準(zhǔn)裝置中，作為對(duì)全消聲水罐的有益改進(jìn)，使用半消聲水罐可有效實(shí)施發(fā)射器與反射靶的精確調(diào)準(zhǔn)，確保靶位鉛直無偏移；而且便于發(fā)現(xiàn)藏匿的氣泡，對(duì)其進(jìn)行有效驅(qū)除，保證校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

雖然公式（5）表明，在換能器尺寸一定的情況下，只要半消聲水罐直徑足夠大，發(fā)射器和靶頂之間的最大工作距離是沒有限制的。但在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)考慮距離太遠(yuǎn)時(shí)有可能存在反射靶截取能量不足、聲波衰減，以及水罐尺寸太大造成反射靶平衡時(shí)間太長(zhǎng)、位置讀取不準(zhǔn)等情況。因此，應(yīng)合理設(shè)計(jì)半消聲水罐的尺寸。