本實(shí)用新型涉及一種測量低頻超聲換能器在水中的輸出聲功率的聲功率計(jì)裝置，屬于聲學(xué)計(jì)量儀器領(lǐng)域,尤指一種主要應(yīng)用于超聲處理、加工、清洗、化學(xué)、醫(yī)療和水聲工程等行業(yè)的超聲設(shè)備的輸出聲功率的測量裝置。

背景技術(shù)：

輻射力天平RFB(radiation force balance)是超聲換能器的聲輸出功率測量的基本方法。是國際電工委員會IEC(International Electrotechnical Commission)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61161-:2013和中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7966-2009規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法。它利用測量靶(一種量器)在水中截取全部聲束的能量流——聲功率，測得靶上所受的軸向輻射力再用相應(yīng)的換算系數(shù)將其換算成聲功率。

但目前RFB法只能測定在自由場里的集束的超聲波(平面波，聚焦波)束，要求聲源的尺寸至少大于煤質(zhì)中的聲波長。即ka＞5，其中：k＝2π/λ為聲波數(shù)，a為低超聲頻換能器的輻射面半徑，λ為水中的聲波長。在不滿足這一條件的低頻超聲波，由于聲波發(fā)生幾乎全向性的發(fā)散，聲輻射中包含后向和側(cè)向發(fā)射波，傳統(tǒng)的輻射力天平裝置就失效了。因此迄今RFB法一般只適用于500kHz－15MHz的超聲功率測量，無法用于低超聲頻功率測量。

目前的測量低頻聲功率的標(biāo)準(zhǔn)方法是聲壓法(GB/T7965-2002)。使用已校準(zhǔn)的水聽器測量在聲源聲場的遠(yuǎn)場聲壓分布，在遠(yuǎn)場里做三維球面掃描,測定三維指向性圖案，應(yīng)用三維球面聲強(qiáng)積分，計(jì)算得到發(fā)射聲功率。此法要測量聲場分布，比較費(fèi)時(shí)效率低，計(jì)算中參數(shù)誤差較大，還需使用已校準(zhǔn)的水聽器(包含校準(zhǔn)不確定度10％)，因此屬于二級測量，測量不確定度約為30％。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述不足之處，本實(shí)用新型的主要目的旨在提供一種全新的測量低超聲頻換能器的輸出聲功率的輻射力天平裝置。利用水面的反射效應(yīng)把后向發(fā)射波的聲能流(聲功率)反射回來，與前向發(fā)射的直達(dá)波疊加，形成合成聲場。通過特殊設(shè)計(jì)的吸收靶，截獲全部聲能量流(聲功率)，接收合成聲場在所有方向的聲強(qiáng)分量，利用靶上所受的全部軸向輻射力分量，將其疊加成可供測量的軸向總輻射力。本實(shí)用新型的核心是半球形凹面吸收靶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用測力系統(tǒng)測得靶上所受的軸向總輻射力，再將其換算成聲功率的低超聲頻輻射力天平。

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是：主要解決如何設(shè)計(jì)半球形凹面吸收靶的結(jié)構(gòu)問題，要解決其它多種特殊設(shè)計(jì)的吸收靶的結(jié)構(gòu)問題，還要解決各種吸聲橡膠尖劈單元的組合等有關(guān)技術(shù)問題。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：該低頻輻射力天平包括換能器安裝架、半球形凹面吸收靶、測力系統(tǒng)、測量水槽、除氣水、懸吊細(xì)絲、懸吊傳力支架、浮子塊以及待測的低超聲頻換能器等部件；半球形凹面吸收靶安裝在注滿除氣水的測量水槽內(nèi)，用懸吊細(xì)絲懸掛在懸吊傳力支架上端的環(huán)上，其孔徑平面朝上處于水下貼近水面處，懸吊傳力支架下部的平面坐落在測力系統(tǒng)電子天平的稱盤上，上述各部件組合為一整體低超聲頻輻射力天平，其中：

待測的低超聲頻換能器通過換能器安裝架固定在測量水槽上方，其發(fā)射端面向下，浸沒在水中貼近水面處，半球面吸收靶的孔徑面朝上平行于水平面，其球心與低超聲頻換能器的端面中心重合，測量水槽安裝在懸吊傳力支架內(nèi)且相互不接觸，測量水槽內(nèi)充滿除氣水,浮子塊通過粘結(jié)劑粘結(jié)在半球形凹面吸收靶的中下部，其浮力中心要高于靶的重力中心,換能器安裝架的基座安裝固定在測力系統(tǒng)的同一水平面上。

進(jìn)一步的，所述的低超聲頻輻射力天平低超聲頻換能器的輻射面要浸入到水面以下1mm-2mm的深度位置，其輻射面向下，中心要在半球形凹面吸收靶的球心位置。

進(jìn)一步的，所述的低超聲頻輻射力天平的半球形凹面吸收靶的凹面朝上，其孔徑面測量時(shí)置于在水面以下1mm-2mm的深度位置。

進(jìn)一步的，所述的低超聲頻輻射力天平的半球形凹面吸收靶的幾何尺寸與超聲波頻率有關(guān)，在10kHz-100kHz頻率范圍內(nèi)，幾何尺寸為：球心到所有尖劈頂點(diǎn)的距離R＞πa²/λ,其中a為低超聲頻換能器的輻射面半徑，λ為水中的聲波長，尖劈錐部的頂角＜32°；單個(gè)錐體的底部的寬度w＝長度d，w＝d≤15mm,錐體的底座的厚度t≥10mm。

進(jìn)一步的，所述的低超聲頻輻射力天平的半球形凹面吸收靶由相同的菱錐形吸聲橡膠尖劈單元組成，緊密而均勻地布設(shè)組成馬賽克凹球面，拼接成貼面貼復(fù)在不銹鋼或塑料制成的半球形凹面薄殼內(nèi)壁。

進(jìn)一步的，所述的低超聲頻輻射力天平的半球形凹面吸收靶由不同直徑的吸聲橡膠圓環(huán)形尖劈單元組合而成，它們是橫截面為等腰三角形加矩形基座的吸聲橡膠尖劈圓環(huán)，圓環(huán)的橫截面相同，圓環(huán)直徑依次遞增，由下往上連續(xù)疊合起來，形成半球形整體凹面吸收靶結(jié)構(gòu)，其幾何參數(shù)設(shè)有球心到尖劈頂端的距離R，尖劈高度為h，底座厚度為t，寬度為w和半凹球形靶的外直徑D。

進(jìn)一步的，所述的低超聲頻輻射力天平的菱錐形吸聲橡膠尖劈單元由一個(gè)尖劈高度為h、底面為正方形，邊長為寬度w＝長度d的正四角菱錐形的上部，和一個(gè)與其相連的底座厚度為t邊長為d＝w的正方體下部組成，兩者連為一體，在模具中澆灌吸聲橡膠固化后成為一體的結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述的低超聲頻輻射力天平的吸聲橡膠尖劈單元的組合，為特種整體澆注成型結(jié)構(gòu)，所有尖劈單元的對稱軸均指向半球的球心。

進(jìn)一步的，所述的低超聲頻輻射力天平的半球形凹面吸收靶的聲反射系數(shù)≤0.10，聲吸收系數(shù)≥99％。

本實(shí)用新型的有益效果是：該輻射力天平克服了現(xiàn)有低超聲頻換能器功率測量的不足之處，成功地解決了在10kHz-100kHz頻率范圍內(nèi)的低超聲頻換能器超聲功率測量問題，通過半球形凹面吸收靶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用水面的反射效應(yīng)把后向發(fā)射波的聲能流反射回來，與前向發(fā)射的直達(dá)波疊加，形成合成聲場，使用測力系統(tǒng)測得靶上所受的軸向總輻射力，再將其換算成聲功率的組合裝置，具有多種結(jié)構(gòu)形式的吸聲橡膠尖劈單元，使用方便，提高效率，減少參數(shù)誤差等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。

附圖1為本實(shí)用新型的基本典型結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖2為本實(shí)用新型采用防水測力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖3為本實(shí)用新型用于超聲清洗機(jī)換能器的聲功率測量示意圖；

附圖4為本實(shí)用新型半球形凹面吸收靶的吸聲橡膠菱錐形尖

劈單元典型結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖5為本實(shí)用新型截面為等腰三角形的吸聲橡膠尖劈圓環(huán)構(gòu)成的整體半球形凹面吸收靶的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖中標(biāo)號說明：

1—換能器安裝架；

2—半球形凹面吸收靶；

3—測力系統(tǒng)；

4—測量水槽；

5—除氣水；

6—懸吊細(xì)絲；

7—懸吊傳力支架；

8—浮子塊；

9—低超聲頻換能器；

h—尖劈的高度；

t-底座厚度；

d-底座長度；

w-底座寬度；

F-軸向輻射力；

D-半凹球形靶的外直徑；

R-球心到尖劈頂端的距離；

具體實(shí)施方式

請參閱附圖1、2、3、4及5所示，本實(shí)用新型設(shè)有換能器安裝架1、半球形凹面吸收靶2、測力系統(tǒng)3、測量水槽4、除氣水5、懸吊細(xì)絲6、懸吊傳力支架7、浮子塊8以及待測的低超聲頻換能器9等部件；半球形凹面吸收靶2安裝在注滿除氣水5的測量水槽4內(nèi)，用懸吊細(xì)絲6懸掛在懸吊傳力支架7上端的環(huán)上，其孔徑平面朝上處于水下貼近水面處，懸吊傳力支架7下部的平面坐落在測力系統(tǒng)3電子天平的稱盤上，上述各部件組合為一整體低超聲頻輻射力天平，其中：

待測的低超聲頻換能器9通過換能器安裝架1固定在測量水槽4上方，其發(fā)射端面向下，浸沒在水中貼近水面處，半球面吸收靶2的孔徑面朝上平行于水平面，其球心與低超聲頻換能器9的端面中心重合，測量水槽4安裝在懸吊傳力支架7內(nèi)且相互不接觸，清洗水槽4內(nèi)充滿除氣水5,浮子塊8通過粘結(jié)劑粘結(jié)在半球形凹面吸收靶2的中下部，其浮力中心要高于靶的重力中心,換能器安裝架1的基座安裝固定在測力系統(tǒng)3的同一水平面上。

進(jìn)一步的，所述的低超聲頻輻射力天平的低超聲頻換能器9的輻射面要浸入到水面以下1mm-2mm的深度位置，其輻射面向下，中心要在半球形凹面吸收靶2的球心位置。對超聲清洗機(jī)換能器是緊密粘結(jié)在水槽底面，向上發(fā)射。

進(jìn)一步的，所述的低超聲頻輻射力天平的半球形凹面吸收靶2的凹面朝上，其孔徑面測量時(shí)置于在水面以下1mm-2mm的深度位置。對超聲清洗機(jī)換能器，半球面靶是凹面朝下置于在水槽底面以上1mm-2mm位置且平行于底面。

進(jìn)一步的，所述的低超聲頻輻射力天平的半球形凹面吸收靶2的幾何尺寸與超聲波頻率有關(guān)，在10kHz-100kHz頻率范圍內(nèi)，幾何尺寸為：球心到所有尖劈頂點(diǎn)的距離R＞πa²/λ,其中a為低超聲頻換能器的輻射面半徑，λ為水中的聲波長，尖劈錐部的頂角＜32°；單個(gè)錐體的底部的寬度w＝長度d，w＝d≤15mm,錐體的底座厚度t≥10mm。

進(jìn)一步的，所述的低超聲頻輻射力天平的半球形凹面吸收靶2由相同的菱錐形吸聲橡膠尖劈單元組成，緊密而均勻地布設(shè)組成馬賽克凹球面，拼接成貼面貼復(fù)在不銹鋼或塑料制成的半球形凹面薄殼內(nèi)壁。

進(jìn)一步的，所述的低超聲頻輻射力天平的半球形凹面吸收靶2由不同直徑的吸聲橡膠圓環(huán)形尖劈單元組合而成，它們是橫截面為等腰三角形加矩形基座的吸聲橡膠尖劈圓環(huán)，圓環(huán)的橫截面相同，圓環(huán)直徑依次遞增，由下往上連續(xù)疊合起來，形成半球形整體凹面吸收靶結(jié)構(gòu)，所有圓環(huán)尖劈的截面對稱軸均須指向半球的球心。其幾何參數(shù)設(shè)有球心到尖劈頂端的距離R，尖劈高度為h，底座厚度為t，寬度為w和半凹球形靶的外直徑D。

進(jìn)一步的，所述的低超聲頻輻射力天平的菱錐形吸聲橡膠尖劈單元由一個(gè)尖劈高度為h、底面為正方形，邊長為寬度w＝長度d的正四角菱錐形的上部，和一個(gè)與其相連的底座厚度為t邊長為d＝w的正方體下部組成，兩者連為一體，在模具中澆灌吸聲橡膠固化后成為一體的結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述的低超聲頻輻射力天平的吸聲橡膠尖劈單元的組合，為特種整體澆注成型結(jié)構(gòu)，所有尖劈單元的對稱軸均須指向半球的球心。

進(jìn)一步的，所述的低超聲頻輻射力天平的半球形凹面吸收靶2的聲反射系數(shù)≤0.10，聲吸收系數(shù)≥99％。

本實(shí)用新型為兩種測力系統(tǒng)(天平和力傳感器系統(tǒng))的可行方案。

本實(shí)用新型使用輕質(zhì)材料(泡沫塑料、或軟木、或空心浮子)制成的浮子塊，抵消半球形吸收靶的大部分重力，使測力系統(tǒng)所受的力處于它的量程之內(nèi)的方法。

本實(shí)用新型的具體結(jié)構(gòu)特征如下：

請參閱附圖1所示，本實(shí)用新型的基本構(gòu)成是：換能器安裝架1、半球形凹面吸收靶2、測力系統(tǒng)3、測量水槽4、除氣水5、懸吊細(xì)絲6、懸吊傳力支架7、浮力塊8組成。半球形凹面吸收靶2是將其截獲的全部聲功率轉(zhuǎn)換成輻射力的核心部件。它安裝在注滿除氣水5的測量水槽4內(nèi)，用懸吊細(xì)絲6懸掛在懸吊傳力支架1的上端環(huán)上，令其孔徑平面朝上處于水下貼近且平行于水面處。懸吊傳力支架7下部的平板坐落在測力系統(tǒng)3(采用電子天平)的稱盤上。用換能器安裝架1固定的被測低超聲頻換能器9(或其變幅桿)，其發(fā)射端面向下，浸沒在水中貼近水面處。半球面吸收靶2的孔徑面朝上平行于水平面，其球心要求與低超聲頻換能器1的端面中心重合。

當(dāng)位于半球面的中心的低超聲頻換能器9(或其變幅桿)的輻射面向下發(fā)射超聲時(shí)，吸收靶2截取全部聲功率就會受到聲輻射力的作用，靶上所受的軸向聲輻射力就通過三根懸吊細(xì)絲6和懸吊傳力支架7，傳遞到測力系統(tǒng)3(電子天平)的稱盤上，被天平測得。浮子塊8是固定在靶的外側(cè)的浮子的組合，用它的浮力抵消吸收靶的大部分重力，使作用在天平稱盤上的力處于天平的量程之內(nèi)。

請參閱附圖2所示，圖2示出采用防水測力傳感器的低超聲頻輻射力天平。它的更簡單的構(gòu)成是:測力系統(tǒng)3采用防水的測力傳感器，安裝在水槽4內(nèi)半球形凹面吸收靶2的底下，直接測量半球形凹面吸收靶2上的軸向輻射力。省去了圖1所示的方案里的懸吊細(xì)絲6和懸吊支架7，簡化了測量水槽的構(gòu)造。浮子塊8是固定在靶的外側(cè)的浮子的組合，用它的浮力抵消吸收靶的大部分重力，使作用在測力傳感器上的力處于測力傳感器的量程之內(nèi)。

請參閱附圖3所示，圖3示出用于超聲清洗機(jī)換能器聲功率測量的輻射力天平的示意圖。超聲清洗機(jī)的換能器通常是被粘合在清洗水槽4的底面的外側(cè)面上，透過清洗水槽4底面金屬薄板向槽內(nèi)除氣水5發(fā)射超聲。清洗水槽4內(nèi)充滿除氣水5。因此，朝下的半球形凹面吸收靶2的孔徑要貼近底面，能截取換能器發(fā)射的全部聲功率(包括槽底面反射的聲功率)。由此產(chǎn)生了對半球形凹面吸收靶2的聲輻射力，其軸向輻射力F，經(jīng)過一根懸吊細(xì)絲6傳遞到測力系統(tǒng)3(天平或力傳感器)，被它測得。浮子塊8是固定在靶的外側(cè)，用它的浮力抵消吸收靶的大部分重力，使作用在測力系統(tǒng)3上的力處于它的的量程之內(nèi)。

請參閱附圖4所示，圖4示出了組成半球形凹面吸聲靶的吸聲橡膠菱錐形尖劈單元的典型設(shè)計(jì)。它是有一個(gè)高度為h、底面為正方形邊長為d＝w的正四角菱錐形的上部，和一個(gè)與其相連的一定厚度t邊長為d＝w的正方體下部組成，二者連為一體。用無硫吸聲橡膠制成。用這種尖劈單元緊密無間地排列粘結(jié)在適當(dāng)尺寸的半球形不銹鋼或塑料制的凹面的殼體表面，制成所要求的半球形凹面吸收靶。用特殊的模具中澆灌吸聲橡膠也能制成所要求的吸收靶。

請參閱附圖5所示，圖5示出了截面為三角形的圓環(huán)形吸聲橡膠尖劈構(gòu)成的整體半凹球形靶的構(gòu)造。這是用橫截面為等腰三角形加矩形基座的不同直徑的吸聲橡膠尖劈圓環(huán)，由下往上連續(xù)疊合起來，類似地球儀上的緯線那樣由高緯度向赤道平面疊合，形成半球形整體凹面吸收靶。所有的圓環(huán)的橫截面相同，圓環(huán)橫截面的對稱軸全部指向球心。幾何參數(shù)設(shè)有：球心到尖劈頂端的距離R，尖劈的高度h，底座厚度t，底座寬度w和半凹球形靶的外直徑D。并用特殊的模具中澆灌吸聲橡膠制成所要求的吸收靶。

請參閱附圖1所示，本實(shí)用新型測量時(shí)半球面吸收靶2浸沒在水中，凹面向上，孔徑平面緊貼水面深度為1mm-2mm，其球心與低超聲頻換能器1輻射面中心重合。吸收靶2用三根懸吊細(xì)絲6懸掛在懸吊傳力支架7上端的環(huán)上，通過懸吊傳力支架7下部的平板，把吸收靶2所受的向下的輻射力傳遞到測力系統(tǒng)3(天平或測力傳感器)上。用測力系統(tǒng)測得軸向聲輻射力F。

用下式計(jì)算換能器輸出的時(shí)間平均聲功率P

P＝r_P/cFcF(1+γ²)^-1e^2αR (1)式中：P-輸出聲功率；F-軸向輻射力；c-水中的聲速；r_P/cF-輸出聲功率對軸向輻射力與聲速乘積的比值；γ-吸收靶的聲壓反射系數(shù)；α-水的聲衰減系數(shù)，R-半球形吸收靶的球心到尖劈頂端的距離，亦即低超聲頻換能器中心到吸收靶尖劈頂端的距離。

本實(shí)用新型并非用以限定本實(shí)用新型，任何熟悉此技術(shù)者，在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作一些更改與潤飾。

雖然本實(shí)用新型已參照當(dāng)前的具體實(shí)施例來描述，但是本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到，以上的實(shí)施例僅僅是用來說明本實(shí)用新型，在沒有脫離本實(shí)用新型精神的情況下還可作出各種等效的變化和修改，因此，只要在本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)對上述實(shí)施例的變化，變換都將落在本實(shí)用新型權(quán)利要求書的范圍里。