超声应用涉及对媒介中传播时声波的一些基本量进行定标和测量,如声速、声压、声强、声功率、声衰减和声吸收,声频或频谱等。超声计量的基本任务是建立这些基本量的计量基准、标准器具,并进行量值传递。
超声计量
关于超声测量及其应用的学科。是在超声领域内研究计量单位统一和量值准确可靠的声学计量分支。
- 英文名称
- ultrasonic measurement
- 所属学科
- 仪器科学与技术
为解决超声领域的计量问题,自20世纪60年代开始,中国相继开展了基于辐射力天平法的声功率测量、基于互易法和激光干涉法的水听器校准以及材料基本声学参数测量研究,并建立了相应的量值溯源能力。经历半个多世纪的发展,超声计量已逐步覆盖超声功率计、超声探伤仪、超声测厚仪、超声换能器、高频水听器等多种声学计量仪器和材料基本声学参数如声速、声衰减等参数的测量能力。而其中尤其以超声功率和超声场特性的测量,即高频水听器校准尤为重要。截至2017年,国际计量委员会声学、超声与振动咨询委员会(CCAUV)组织了两次超声功率国际关键比对、两次高频水听器国际关键比对,中国均参加并取得了等效一致的结果。
针对超声诊断设备的应用,其辐射声功率的测量对保证安全性和有效性尤为重要。国际电工委员会推荐的超声功率测量方法是辐射力天平法。通过测力装置(通常为天平)测量超声波辐射到理想反射靶/吸收靶上的力值,经过一定的数值换算与修正,得到超声换能器表面辐射出的超声功率。在0.5~25兆赫频率范围内,辐射力天平法可测量声功率至1瓦;在0.75~5兆赫频率范围内,可测量至20瓦。辐射力天平法可用于线性的平面波声场与聚焦声场,但不可用于测量非线性声场声功率。
21世纪以来,随着高强度聚焦超声日益广泛应用于临床超声治疗,非线性条件下的超声功率测量成为关注的热点。针对非线性条件下的超声大功率测量,推荐采用量热法进行测量,利用比热容、膨胀系数已知的液体介质,通过测量超声波辐射到液体介质后的内部温升或者体积变化来得到吸收的能量,进一步计算得到超声功率。量热法适用于百瓦级别甚至更高的超声功率测量。
针对超声诊断设备的广泛使用,为保障人身安全,除了诊断设备辐射总声功率,还需测定其超声声场的空间、时间特性,以获得表征超声场特性的各种参量,确保满足安全阈值。高频水听器是国际标准(IEC 62127)推荐采用的声场测量仪器,常用高频水听器的有效敏感元件直径可覆盖40微米~1毫米,并在0.5~60兆赫频率范围内将所接收到的声信号转变为电信号,即声压灵敏度校准,然后计算得到各声场参量。
此外,工业超声无损检测是工业检测的重要组成部分,管道测厚、部件或材料内部的缺陷检测与定量评估、材料声速精准测量、裂缝的长度、超声探头辐射声场参数等,都是超声检测的重要定量输出,也是超声计量的重要内容。
医用超声方面,随着超声治疗设备的临床应用,超声计量研究向高强度聚焦超声声场测量等复杂极端应用领域发展,建设相应的测量校准能力对进一步提高超声诊断设备的安全性、保障超声治疗设备输出剂量的准确性等具有重要意义。激光干涉测量与声学测量技术的结合,有望提供接近基准级别的测量水平,为现场、在线校准等提供较好的解决方案。工业超声方面,由于超声设备的多样化和工业检测对缺陷定量要求的提高,尤其是现场应用大型超声检测设备,超声计量能力的建设除了应满足实验室校准需求外,还应考虑现场、在线或者原位测量校准的需求。