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IEC TS 62903：超声换能器自易法测量
Based on IEC TS 62903:2018 Measurement of Electroacoustical Parameters of Spherically Curved Transducers Using Self-Reciprocity
IEC TS 62903:2018 规定了使用自易法确定球形曲面超声波换能器的电声参数和声输出功率的精密测量方法。本技术规范针对治疗超声应用中的关键需求，包括用于肿瘤消融的高强度聚焦超声（HIFU）、超声理疗和体外碎石术，这些应用中准确的声输出功率知识对于治疗效果和患者安全至关重要。
IEC TS 62903 中描述的自易法无需校准参考水听器即可确定绝对声输出功率。这简化了测量设置，减少了多个传递标准带来的校准不确定性。
一、自易法测量原理
自易技术利用了线性、无源、可逆换能器的声学互易基本原理。对于球面聚焦换能器，标准定义了一种测量配置：换能器被电驱动产生声场，声场被放置在焦平面上的平面反射器反射，并由同一换能器以接收模式接收。在换能器端子上测量的电传输阻抗编码了设备的发射和接收特性。
通过结合电阻抗测量、来自反射器的回波响应测量以及球面波的理论衍射修正，可以在无需外部校准的情况下计算换能器的开路灵敏度和声输出功率。标准特别处理了换能器半径 a 和焦距 F 满足关系 F ≥ 2a²/λ（其中 λ 为声波波长）的情况，确保在焦平面处满足有效的远场条件。
| 测量参数 | 符号 | 所需精度 | 测量原理 |
|---|---|---|---|
| 电阻抗 | Ze | ±2% | 网络分析仪或阻抗电桥 |
| 回波信号电压 | Vecho | ±3% | 数字示波器（最低 8 位） |
| 反射器距离 | d | ±0.1 mm | 激光干涉或机械量规 |
| 水温 | T | ±0.5 °C | 校准热电偶（K 或 T 型） |
| 声输出功率 | Pac | ±10% (k=2) | 自易法计算 |
精确的水温控制对于自易法测量至关重要。水中的声速每 °C 变化约 3 m/s。在 1 MHz 工作频率下，这相当于每 °C 产生 0.2% 的波长误差，直接影响衍射修正因子。标准要求在整个测量体积内温度均匀性优于 ±0.3 °C 的稳定水浴。
二、测量系统配置
标准详细定义了测量系统配置。需要每个方向尺寸至少为换能器直径 5 倍的水箱以避免边界反射。除换能器安装表面外，所有水箱壁必须衬有吸声材料。反射器应为抛光不锈钢或玻璃板，表面平整度在工作频率下优于 λ/10，且垂直于声轴的角度在 0.5° 以内。
电气测量系统必须包括能够产生具有受控幅度、持续时间和重复率的脉冲串的函数发生器。标准建议脉冲串持续 10–50 个周期，占空比低于 1%，以避免换能器中的热效应。双工器或定向耦合器分离发射和接收信号，发射和接收路径之间的隔离度超过 40 dB。
自易法的一个实际优势是其跨频率的可扩展性。通过简单地调整脉冲参数和反射器位置，同一测量设置可用于 0.5 MHz 至 10 MHz 的换能器，使其成为使用多种换能器设计的测试设施的经济选择。
三、数据处理与不确定度分析
声输出功率 Pac 使用自易方程从测量数据导出。标准提供了全面的不确定度预算分析，估计声输出功率测量的扩展不确定度（k=2）为 ±10%，主要贡献来自回波信号幅度测量和换能器定位对准。
标准还规定了使用辐射力天平方法作为独立交叉检查的验证程序。辐射力天平方法通过检测作用于目标上的辐射力来测量声功率，提供了具有不同系统误差源的互补测量。两种方法在组合不确定度范围内的一致性可作为测量设置的验证。
自易法测量系统的建立需要仔细考虑多个实际因素。标准指出，测量水箱的设计至关重要：水箱内壁应衬有厚度至少为工作频率下四分之一波长的吸声材料（如填充钨粉的橡胶或含有微泡的聚氨酯板），以减少边界反射对测量结果的影响。水箱底部应安装精密三维定位系统，定位精度需达到 ±0.01 mm，以确保换能器与反射器之间的精确对准。
信号采集系统的性能也直接影响测量精度。标准建议使用 14 位或更高分辨率的数字化仪，采样率至少为换能器中心频率的 10 倍。对于 1 MHz 的换能器，这要求至少 10 MS/s 的采样率。同时，接收通道的本底噪声应低于满量程的 0.1%，以保证微弱回波信号的可测性。
在实际应用中，自易法测量结果的不确定度来源需要系统分析。标准提供了标准不确定度评定表格，其中回波信号幅度测量的不确定度贡献最大（约 5%），其次是换能器定位误差（约 3%）和水温变化（约 2%）。通过合理控制这些因素，可以使总扩展不确定度保持在 ±10% 以内，满足 HIFU 治疗系统的质量控制要求。
常见问题解答
问 1：自易法相比水听器法的主要优势是什么？
自易法无需校准水听器，后者需要定期重新校准并具有可溯源到主要标准的自身不确定度链。对于生产多种换能器设计的制造商，自易法降低了测量设备成本，同时保持与水听器方法相当的精度。主要缺点是其仅适用于可逆换能器，并且需要平面反射器。
自易法无需校准水听器，后者需要定期重新校准并具有可溯源到主要标准的自身不确定度链。对于生产多种换能器设计的制造商，自易法降低了测量设备成本，同时保持与水听器方法相当的精度。主要缺点是其仅适用于可逆换能器，并且需要平面反射器。
问 2：该方法能否应用于非聚焦或平面换能器？
不能。IEC TS 62903 专门针对球面曲率聚焦换能器，因为自易法公式依赖于明确的焦点几何和波前曲率。对于平面换能器，IEC 61102 提供了使用校准水听器扫描的替代测量方法。对于非球面聚焦几何，该标准的方法可作为参考，但需要用水听器测量进行验证。
不能。IEC TS 62903 专门针对球面曲率聚焦换能器，因为自易法公式依赖于明确的焦点几何和波前曲率。对于平面换能器，IEC 61102 提供了使用校准水听器扫描的替代测量方法。对于非球面聚焦几何，该标准的方法可作为参考，但需要用水听器测量进行验证。
问 3：本标准涵盖的典型测量频率范围是多少？
虽然标准原则上适用于 0.5 MHz 至 20 MHz，但水箱尺寸、信噪比和反射器对准的实际限制将大多数测试设置的有效范围限制在 0.5–10 MHz。低于 0.5 MHz 时，水箱尺寸变得不切实际地大；高于 10 MHz 时，水的衰减和对准灵敏度变得具有挑战性。
虽然标准原则上适用于 0.5 MHz 至 20 MHz，但水箱尺寸、信噪比和反射器对准的实际限制将大多数测试设置的有效范围限制在 0.5–10 MHz。低于 0.5 MHz 时，水箱尺寸变得不切实际地大；高于 10 MHz 时，水的衰减和对准灵敏度变得具有挑战性。
问 4：水质如何影响测量？
标准要求使用脱气去离子水以最小化空化和衰减效应。溶解气体含量应低于 4 ppm。颗粒污染物必须过滤至 5 μm 以下以防止散射伪影。应监测水的电导率，确保其保持在 10 μS/cm 以下，以避免通过水路产生电气耦合。
标准要求使用脱气去离子水以最小化空化和衰减效应。溶解气体含量应低于 4 ppm。颗粒污染物必须过滤至 5 μm 以下以防止散射伪影。应监测水的电导率，确保其保持在 10 μS/cm 以下，以避免通过水路产生电气耦合。
