GB/T 16540-1996 声学 在0.5～15MHz频率范围内的超声场特性及其测量水听器法

GB/'r16540一1996

前言

本标准是根据国际标准IEC1102:1991《用水听器在。5-15MHz频率范围内的超声场特性及其

测量》和该标准的修改文件1102Amend.1cIEC:1993编制的，在技术内容上与该国际标准等效，编写

规则上与之一致。

本标准对IEC1102:1991的范围、引用标准、定义、测量要求和附图等少量内容作了适当的修改和

删减，使内容更加正确精练。

本标准规定了GB4128-1995中未规定的高频超声水听器的性能要求。

本标准的附录A、附录B、附录C和附录D都是提示的附录。

本标准由全国声学标准化技术委员会提出并归口。

本标准起草单位:上海交通大学、中国科学院声学研究所、中国计量科学研究院、上海麦迪逊医疗器

械有限公司。

本标准的主要起草人:寿文德、江以萍、朱厚卿、熊大莲、卜书中。

本标准委托全国声学标准化技术委员会超声、水声分技术委员会负责解释。

GB/T16540一1996

IEC前言

I)由国际电工委员会作的技术方面准备，并作出的正式决定或协定代表了所有的有特别兴趣的

国家委员会的意见。此决定尽可能切实地表述了对论述的主题看法上的国际性一致。

z)为了国际使用，它们采用推荐的方式，而且它们被有那种观点的国家委员会所接受。

3)为促进国际统一，国际电工委员会表示:希望所有的国家委员只要在国家条件许可时，尽量在国

家规程中采用国际电工委员会推荐的文本。

本国际标准由国际电工委员会87技术委员会(超声学)提出。

本国际标准的文本基于下列文件:

六个月法表决报告

87(C0)687(CO)8

在上表所示的表决报告中可查阅到批准本标准的表决方面的全部信息。

本国际标准表述了除IEC866中所给出之外的超声水听器的性能要求。

所有的附录都是提供资料性的。

在本标准中，使用下列印刷体:

—要求和定义:罗马体;

—注释:小罗马体;

一一遵从:小斜体;

—本标准使用的并在第三条中规定的术语:小写罗马黑体。

Gs/'r16540一1996

IEC}I言

本国际标准的主要目的在于定义各种声参数。这些参数用于借助于水听器说明和描述在液体中并

特指在水中传播的超声场的特性。简述了用来测定这些参数的测量方法。本国际标准和美国医学超声

学会/美国电器制造商协会(AIUM/NEMA)安全标准有许多共同之处。虽尽量努力使二者保持一致，但

前者与后者在方法上仍有一些基本差别。

本国际标准的基本原理是用声压参数来规范声场。当使用水听器来描述声场特性时，声压是基本的

测量的量。当然，如果将来使用了其他测量器件，就需要一个具有新增定义和方法的新的国际标准。这

些器件的例子就是热敏电阻或热电偶。

本国际标准还规定与AIUM/ENMA安全标准中给出的参数相似的声强参数，但把这些参数看作

是导出量，只有在对被测量的超声场作出某些假设的情况下才有意义。

当准确度要求不高时，可采用一些供选择的简化方法。这些方法将在国际电工委员会指导文件IEC

GuidanceDocument(在准备中)给出。

修改文件规定了，对具有圆柱形或球形有源元件的单个超声换能器产生的超声场进行声压和导出

声强参数测量的可供选择方法，并定义了增加的声学名词。

中华人民共和国国家标准

声学在0.5^15MHz频率范围

内的超声场特性及其测量

水听器法GB/T16540一1996

eqvIEC1102:1991

Acoustics-Measurementandcharacterisationof

ultrasonicfieldsinthefrequencyrange

0.5MHzto15MHz-Hydrophonemethod

1范围

本标准规定了0.5^15MH:频率范围内在水和其他液体中的超声场的各种声参数的定义，以及使

用已校准的压电水听器测量医用超声设备在水中所产生的超声场参数的条件和方法。

注:本标准使用SI单位。在某些参数的说明中，例如声束面积参数和声强参数，使用其他单位可能更方便。例如，声

束面积可用cm',声强可用W/cm'或mW/cm}.

2引用标准

下列标准包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均为

有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。

GB/T3947-1996声学名词术语

GB/T4128-1995标准水听器(neqIEC500:1974;IEC866:1987)

GB/T15611-1995高频水听器校准

IEC50(801)国际电工词汇(IEV)，第801章:声学与电声学(1984)

IEC469-1:1987脉冲技术和仪器，第1部分:脉冲术语与定义

IEC854:1986超声脉冲回波诊断设备的性能测量方法

3定义

本标准采用下列定义。

11声脉冲峰值因数acousticpulsecrestfactor

声场中空间峰值时间峰值声压与它的脉冲峰值周期中计算的均方根声压之比。

3.2声脉冲波形acousticpulsewaveform

声场中某指定位置处瞬时声压的时间波形。显示该波形的时间应足够长，使在一个单脉冲或碎发纯

音，或者在连续波的单个或多个周期中，能包括所有有意义的声信息的一段波形。

3.3声重复周期acousticrepetitionperiod

非自动扫描系统的脉冲重复周期或自动扫描系统的扫描重复周期。对于连续波系统为相邻两周期

间的时间间隔。

3.4声工作频率((,.,)acoustic-workingfrequecy

一-

国家技术监督局1996一09一13批准1997一03一01实施

GB/T16540一1996

水听器放在声场中与空间峰值时间峰值声压相应的位置上，对其输出信号采用过零频率技术或谱

分析方法(见图1)进行分析得出的工作频率。单位为赫兹，Hz。有下列几种声工作频率:

3.4.1过零声工作频率zero-crossingacoustic-workingfrequecy

由声压波形中的零声压点之间的平均间隔决定的声工作频率。

3.4.2算术平均声工作频率arithmetric-meanacoustic-workingfrequecy

f与八的算术平均值。f.几为声压谱中幅度从最高点下降3dB所对应的频率。

3.4.3几何平均声Z作频率geometric-meanacoustic-workingfrequecy

f与f}的几何平均值。

3.4.4频谱峰值声工作频率modalacoustic-workingfrequecy

声压谱中的峰值对应的频率。

注:本标准采用算术平均声工作频率。见附录D

15带宽bandwidth

频率f与fz之差。f,和几为声压谱中幅度从最高点下降3dB处所对应的频率。

3.6声束准直轴beam-alignmentaxis

连接两个半球面上空间峰值时间峰值声压点的一条直线，仅用于对准。半球面的球心大致与超声换

能器或超声换能器阵元组的几何中心一致。第一个半球的半径Ag/(na)，其中Ag是超声换能器或超声

换能器阵元组的几何面积，X是标称频率的超声波的波长。第二个半球的半径为2Ag/(na)或

Ag/(3a),)，取其中合适者。为了对准，这条线可以投影到超声换能器或超声换能器阵元组的面上。

在大多数实际应用中，通常采用与超声波传播方向垂直的两个平面。在单峰不在半球面上的情况

下，选择另一个有不同半径的半球面来产生一个单峰(见图2)e

3.7声束面积(Ab)beam-area

由具有下列性质的所有点构成的某指定面的面积。在这些点处，脉冲声压平方积分大于该面上脉冲

声压平方积分最大值的某一指定的百分数。单位为平方米，mzo

对圆柱形有源元件的超声换能器这个指定面是圆柱形的;对球形有源元件的超声换能器这个指定

面是球形的，且有一定的半径。对一6dB和一20dB波束面积，指定的值分别是25%和1%0

注:声束面积可用几个部分组成。

18声束平均脉冲声压幼b)beam-averagepulseacousticpressure

超声换能器或超声换能器阵元组产生的脉冲声压，在某一指定面上或包含空间峰值时间峰值声压

点的面上的一6dB声束面积内的平均。单位为帕，Pa,

注一般采用一6dB声束面积，但也可采用其他声束面积.

3.9声束平均脉冲平均声强(In.)bean-averagepulse-averageacousticintensity

超声换能器或超声换能器阵元组的产生的脉冲平均声强，在指定面上的或包含空间峰值时间峰值

声压点的面上的一6dB声束面积内的平均。单位为瓦每平方米，W/m',

注:一般采用一6dB声束面积，但也可采用其他声束面积。

3.10声束平均均方根声压(pb)beam-averager.m.aacousticpressure

超声换能器或超声换能器阵元组产生的均方根声压，在某一指定面上的或包含空间峰值时间峰值

声压点的面上的一6dB声束面积内的平均。单位为帕，Pa,

注:一般采用一6dB声束面积，但也可采用其他声束面积

3.11声束平均时间平均声强(Ib,)bean-averagetemporal-avergeacousticintensity

超声换能器或超声换能器阵元组产生的时间平均声强度，在某一指定面上的或包含空间峰值时间

峰值声压点的面上的一6dB声束面积内的平均。单位为瓦每平方米，W/m2,

注:一般采用一6dB声束面积但也可采用其他声束面积。

3.12中心扫描线centralscamline

万fi0

GBIT16540一1996

自动扫描系统中，离扫描平面对称轴最近的超声扫描线。

3.13超声换能器的有效面积(A,)effectiveareaofanultrasonicteansducer

预测的轴向声压分布与实际的超声换能器在有限轴向距离上观察到的轴向声压分布近似等效的理

想活塞式超声换能器的面积。单位为平方米，m，

3.14水听器敏感元件的有效半径(a,aa,)effectiveradiusofahydrophoneactiveelement

预测的指向性函数的波束宽度等于实际水听器波束宽度的理想刚性圆片接收器水听器的半径。波

束宽度由指向性响应最大值下的某一指定值确定。对于指定的3dB和6dB级.半径分别用a。和a。表

示。单位为米，m,

3.15水听器电缆末端有载灵敏度(MDend-of-cableloadedsensitivityofahydrophne

水听器连接到指定电输人阻抗的负载时，其电缆或连接器末端的输出电压与水听器移去时水听器

声中心位置的未受干扰的平面波自由场的瞬时声压的比值。单位为伏每帕，V/Pa,

116水听器电缆末端开路灵敏度(Wend-of-cableopen-circuitsensitivityofahydrophone

水听器的电缆或连接器末端的开路电压与水听器移去时水听器声中心位置的未受干扰的平面波自

由场的瞬时声压的比值。单位为伏每帕，V/Pa,

3.17峰值周期平均声压(p.)mean-peak-cycleacousticpressure

在一个脉冲峰值周期中，瞬时声压的最大正值与最大负值的绝对值的算术平均。单位为帕，Pa,

3.18标称频率nominalfrequency

由设计者或制造者提供的超声换能器或换能器阵元组的工作时频率。

3.19非线性传播参数(crm)nonlinearpropagationparameter

对某一指定超声换能器，可用子超声的非线性畸变预测的一个指数，用0.表示:

夕w1,1、，。、。.。，、

‘一乖讨P.<F弃1),rzln((F.一，’/21十衅”····，·一(1)

式中:R—非线性参数(20,C纯水中夕=1十B12A=3.5);

。—一角频率(w=2nf..rf..;是声_T作频率);

1一一从超声换能器表面到包含空间峰值时间峰值声压平面的距离;

凡—超声换能器几何面积与一6dB波束面积的比的0.69倍;

户。—声场中与空间峰值时间峰值声压对应的点处的平均峰值周期声压。

注七面给出的式子适用于凡>2.1的超声场，凡镇2.1范围内的指标正在考虑之中。

3.20负峰值声压(p一或p,)peak-negativeacousticpressure;peak-rarefactionalacousticpressure

声场中或某一指定面上在声重复期中的负瞬时声压绝对值的最大值。峰值负声压用正数表示。单

位为帕，pa,(见图5),

3.21正峰值声压(p*或p,)peak-positiveacousticpressure;peak-compressionalacousticpressure

声场中或某一指定平面上在声重复周期中正瞬时声压的最大值。单位为帕，Pa。见图5,

3.22脉冲声压(p,)pulseacousticpressure

声场中特定点上脉冲声压平方积分与脉冲持续时间的比值的平方根。单位为帕，Pa。见图70

3.23脉冲平均声强pulse-averageintensity

声场中特定点上脉冲声强积分与脉冲持续时间的比值。单位为瓦每平方米，W/m,

3.24脉冲声束宽度(Wpbs,Wpb2,)pulsebeam-width

在某指定面上，通过该面上脉冲声压平方积分最大值点的指定方向上的两点距离。这两点上的脉冲

声压平方积分应为该面上脉冲声压平方积分最大值的某百分数。这两点是在脉冲压力平方积分最大值

点的两边，且距离最远。如果设有指定表面，则该面应通过整个声场的空间峰值时间峰值点。对一6dB

和一20dB脉冲声束宽度，指定的值分别为25%和1%。单位为米，m.

注指定的面通常是垂直于声束准直轴的平面，对有圆柱形有源元件的超声换能器可能是圆柱面，对球形有源元件

Gs/T16540一1996

的超声换能器可能是球面。

3.25脉冲声束半径(Wpr6,Wpr2,)pulsebeam-radii

在指定的面上，脉冲声压平方积分最大值点与脉冲声束宽度所指定的点之间的两段距离。单位为

米，m,

3.26脉冲持续时1'1(ta)pulseduration

瞬时声压的平方对时间的积分值达到终值的10%时与达到终值的90%时之间的时间间隔的1.25

倍。瞬时声压的平方对时间积分的终值就是脉冲声压平方积分。单位为秒，s,(见图3).

3.27脉冲声强积分(I)pulse-intensityintegral

声场中特定点上的瞬时声强在整个声脉冲波形内的时间积分。单位为焦耳每平方米，J/m'.

注:对本标准所涉及的许多测量而言，脉冲声强积分正比于脉冲声压平方积分。

3.28脉冲峰值周期pulse-peakcycle

声脉冲波形信号中，两个零瞬时声压点之间的单个周期。该单个信号周期应由包含时间峰值声压的

半周和两个相邻的半周期之一构成。该相邻的半周期应包含较大的瞬时声压峰值绝对值(见图5).

3.29脉冲声压平方积分(p,)pulse-pressure-squaredintegral

声场中特定点瞬时声压的平方在整个声脉冲波形内的时间积分。单位为帕二次方·秒，Pa'"s,(见

图3).

130均方根声压(p,-)R.M.S.acousticpressure

声场中特定点的瞬时声压的均方根。除非有特殊规定，均方根应在声重复周期的整数倍中获得。单

位为帕，Pa,(见图7).

3.31扫描面积(A.)scan-area

对自动扫描系统为所研究的面上的一块面积。它由在扫描重复周期内通过该面上任何声束的声束

面积中所有的点构成。单位为平方米，m2.

132扫描平面scan-plane

对自动扫描系统，包含所有超声扫描线的平面。

3.33空间平均脉冲声压(p,)spatial-averagepulseacousticpressure

对非自动扫描系统，为声束平均脉冲声压。单位为帕，Pa.

注:对自动扫描系统，不能用空间平均脉冲声压，只能用声束平均脉冲声压。

3.34空间平均脉冲平均声强(I..)spatial-averagepulse-averageintensity

对非自动扫描系统，为声束平均脉冲平均声强。单位为瓦每平方米，W/m'.

注对自动扫描系统，不能用空间平均脉冲平均声强，只能用声束平均脉冲声强。

3.35空间平均均方根声压(p.)spatial-averager.m.s.acousticpressure

对非自动扫描系统.为声束平均均方根声压;对自动扫描系统，等于均方根声压对扫描面积的平均。

其中均方根声压是在整个扫描重复周期中取得的。单位为帕，Pa,

136空间平均时间平均声强(I。.)spatial-averagetemporal-averageintensity

对非自动扫描系统，为声束平均时间平均声强;对自动扫描系统，为时间平均声强对扫描面积的平

均。其中时间平均声强是在整个扫描重复周期中获得的。单位为瓦每平方米，W/m'.

3.37空间峰值脉冲平均声强(I.,)spatial-peakpulseaverageintensity

在声场中或某一指定面内的脉冲平均声强的最大值。单位为瓦每平方米，W/m'.

3.38空间峰值脉冲声强积分(I)spatial-peakpulse-intensityintegral

在声场中或某一指定面上的脉冲声强积分的最大值。单位为焦耳每平方米，J/m'.

3.39空间峰值脉冲声压幼_)spatial-peakpulseacousticpressure

在声场中或某一指定面上的脉冲声压的最大值。单位为帕，Pa.

3.40空间峰值均方根声压(p,)spatial-peakr.m.sacousticpressure

;fi2

GB/T16540一1996

在声场中或某一指定面上的均方根声压的最大值。单位为帕，Pa.

3.41空间峰值时间平均声强(I,p,)spatial-peaktemporal-averageintensity

在声场中或某一指定面上的时间平均声强的最大值。单位为瓦每平方米，W/m',

3.42空间峰值时间峰值声压(P,p)spatial-peaktemporal-peakacousticpressure,peaksound

pressuer

正峰值声压或负峰值声压中较大的一个。单位为帕，Pa.

3.43空间峰值时间峰值声强(Isp,p)spatial-peaktemporal-peakintensity

在声场中或某一指定面上的时间峰值声强的最大值。单位为瓦每平方米，W/m2,

3.44扫描平面的对称轴symmetryaxisofthescanplane

扫描平面上使两边有相等的扫描线数的虚拟线

3.45时间平均声强temporal-averageintensity

声场中特定点的瞬时声强的时间平均。除非有特殊规定，时间平均是在声重复周期的整数倍中获得

的。单位为瓦每平方米，w/m%

3.46时间峰值声压(po)temporal-peakacousticintensity

声场中特定点的瞬时声压的绝对值的最天值单位为帕，Pa

3.47时间峰值声强temporal-peakintensity

声场中特定点的瞬时声强的最大值。单位为瓦每平方米，W/M%

3.48超声扫描线ultrasonicscanline

对自动扫描系统，为某一特定超声换能器阵元组的声束准直轴，或为特定激励的超声换能器、超声

换能器阵元组的声束准直轴。

149超声扫描线间距离(S,7ultrasonicscanlineseparation

对自动扫描系统，同一类型的两条相继超声扫描线与某一指定面的两个交点之间的距离。单位为

米，m,

3.50超声换能器阵元组ultrasonictransducerelementgroup

用来产生单个声脉冲而一起受激励的超声换能器的元件组，

4符号表

水听器敏感元件的有效半径

水听器敏感元件的几何半径

超声换能器的有效半径

:一、aR在一3dB和一6dB处，由指向性响应测量确定的水听器的有效半径

某一指定的水听器应用的最大有效半径

At

才超声换能器的有效面积

A卜声束面积

A

9超声换能器的几何面积

A

里扫描面积

液体(通常为水)中的声速

水听器电缆末端的电容

岛电性负载的并联输入电容

忘声工作频率

rvf脉冲重复频率

凡0.69XAa/(一6dB声束面积)

GB/T16540一1996

I瞬时声强

Ib-声束平均脉冲平均声强

Ib..e声束平均时间平均声强

IP脉冲声强积分

I..P空间平均脉冲平均声强

I-a空间平均时间平均声强

I

.空间峰值脉冲平均声强

I.PP}空间峰值脉冲声强积分

I.P空间峰值时间平均声强

Ip印空间峰值时间峰值声强

k=2n/.l角波数

Z水听器和超声换能器间的距离

l,超声换能器表面与包含空间峰值时间峰值声压的平面间距离

M水听器电缆末端开路灵敏度

ML水听器电缆末端有载灵敏度

p