一种水声聚焦换能器声功率测量装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于声场测量技术领域，具体涉及一种水声聚焦换能器声功率测量装 置。
【背景技术】
[0002] 超声波是机械振动在弹性介质中传播，其具有机械效应、空化效应、热效应以及其 他生物化学效应。超声波的热效应和空化效应在液体中是否产生，取决于使用设备的功率 和频率。当聚焦换能器辐射剂量Q达到一定强度时，不仅产生热效应，还可能产生破坏性的 空化效应，辐射剂量Q直接与声功率有关：
[0003] Q= Ext (1)
[0004] 其中，E为声功率，t为作用时间。
[0005] 因此声功率的大小尤为重要。声功率是指单位时间内，声波通过垂直于传播方向 某指定面积的声能量，在聚焦超声中人们关心的是焦点处平面的声功率。声功率不能在声 场中某一位置直接测得，只能通过间接的方法测量，常用的测量方法有辐射力法、激光干涉 法、声压法等。
[0006] 辐射力法这种方法出现最早，目前国内外普遍使用的用来测量超声输出声功率的 各种产品大多是基于这种原理开发的。它是根据超声计量学基本原理，超声信号作用于被 测声场中接收靶上，利用作用在接收靶上的力和功率的关系计算得到声功率，但是这种设 备对接收靶的大小、接收靶的测量位置要求较高，而且这种设备制作成本较高。
[0007] 激光干涉法是通过测量辐射声源的力学参量来确定辐射声功率。测定辐射声源表 面的位移振幅来确定辐射功率。但是这种方法对光学设备的要求较高，而且对于不同类型 的发声探头测量不具有普遍性，对于一些探头还需进一步研宄获得其声阻抗表达式。
[0008] 声压法的基础是利用水听器对设备的辐射声场进行扫描获得其声压，然后通过积 分获得其声功率，测量较简便。但是，由于聚焦换能器的能量会聚作用，焦点处的声压较大， 直接用水听器在焦点区域进行测量会对水听器造成不可修复的破坏，增加了测量成本。对 于测量装置，在使用水听器对水声换能器的声场进行测量时，为保证水听器接收到的信号 为直接的、有效的声波信号，水听器的工作面需要和聚焦换能器的工作面平行放置；声场测 量是通过控制装有水听器的机械结构在水下扫描运动和测量，因此，实现在声场中水听器 的三维运动以及保证移位精度尤为重要。
【发明内容】
[0009] 本实用新型针对现有技术的不足，提供了一种水声聚焦换能器声功率测量装置。 [0010] 为解决以上问题，本实用新型采用了以下技术手段：
[0011] 本实用新型包括高精度机械运动装置、信号发生器、功率放大器、聚焦换能器、水 听器、前置放大器、数字示波器和计算机。
[0012] 所述高精度机械运动装置包括水听器自动运动控制部分和聚焦换能器手动运动 控制部分。
[0013] 所述水听器自动运动控制部分包括装在水池上方、实现水听器在声场中三维运动 的第一运动机构，其中第一运动机构由电机驱动，在水听器安装装置上装有第一转盘和第 一俯仰角调节装置，分别实现水听器的转动和俯仰角的调节。
[0014] 所述聚焦换能器手动运动控制部分包括装在水池上方、实现聚焦换能器在声场中 三维运动的第二运动机构，其中第二运动机构由手动驱动，在聚焦换能器安装装置上装有 第二转盘和第二俯仰角调节装置，分别实现聚焦换能器的转动和俯仰角的调节。
[0015] 所述信号发生器产生脉冲信号通过功率放大器之后激励聚焦换能器向水中辐射 声波。
[0016] 所述水听器接收的信号经过前置放大后，由数字示波器进行显示。
[0017] 所述计算机控制高精度机械运动装置进行扫描测量并通过串口通信对数字示波 器的信号进行采集。
[0018] 进一步说，所述的第一运动机构的定位精度为0. 02mm。
[0019] 本实用新型的有益效果在于：在测量装置机械结构上设计了水听器及换能器俯仰 角调节机构并增加转盘机构，保证了水听器工作面和换能器工作面的平行，对参数的测量 更加准确；设计了换能器的手动运动调节机构，更加方便的调节换能器的位置。
【附图说明】
[0020] 图1是测量系统示意图。
[0021] 图2是测量装置结构图。
[0022] 图3是换能器安装部分结构图
[0023] 图4是水听器安装部分结构图
[0024] 图中：1、高精度机械运动装置，2、信号发生器，3、功率放大器，4、聚焦换能器，5、 水听器，6、前置放大器，7、数字示波器，8、计算机，9、换能器安装装置，10、水听器安装装置， 11、丝杆，12、电机，13、手动轴，14、水池，15、转盘，16、连杆，17、俯仰角调节机构，18、换能器 夹具，19、换能器，20、转盘，21、连杆，22、俯仰角调节机构，23、水听器夹具，24、水听器。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
[0026] 如图1所示，信号发生器2产生脉冲信号通过功率放大器3之后激励聚焦换能器 4向水中辐射声波，水听器5安装在高精度机械运动装置1上，水听器接收的信号经过前置 放大器6后，由数字示波器7进行显示；同步信号为信号发生器产生的信号；计算机8控制 高精度机械运动装置进行扫描测量并通过串口通信对数字示波器的信号进行采集。最后通 过声传播理论对聚焦换能器的声功率进行计算。
[0027] 如图2所示，高精度机械运动装置包括水听器安装装置10和换能器安装装置9 ; 通过电机12驱动丝杆11转动，控制水听器安装装置运动，实现水听器在水池14声场中的 三维运动，定位精度为0. 02mm ;通过手动轴13调节换能器安装装置在水池中的位置。
[0028] 测量前，首先要调节水听器和聚焦换能器位置，使两者工作面平行。
[0029] 如图3所示，换能器19通过换能器夹具18安装，利用转盘15转动连杆16调节换 能器的方向，通过俯仰角调节机构17调节换能器的俯仰角。
[0030] 如图4所示，水听器24通过水听器夹具23固定，利用转盘20转动连杆21调节水 听器的方向，通过俯仰角调节机构22调节水听器的俯仰角。
[0031] 当测量结束后，用下述方程对声场中其他位置处的声压进行计算：
[0032] =Σ Σ ,ζ>? (I) i··! j-l
[0033] 其中M、M为测量面的横向测量点数和间距，iV、为测量面的纵向测量点数和 间距，为测量值，为波数，j为测量点与计算点的空间距离。然后运用声压法计算 声功率： P2
[0034] M=-X ? (2)
[0035] 其中，P为液体介质的密度，e为液体介质中声传播的速度，为计算面积。
[0036] 将式（1)带入式（2)得到聚焦换能器声场中的声功率。
【主权项】
1. 一种水声聚焦换能器声功率测量装置，包括高精度机械运动装置、信号发生器、功率 放大器、聚焦换能器、水听器、前置放大器、数字示波器、计算机，其特征在于： 所述高精度机械运动装置包括水听器自动运动控制部分和聚焦换能器手动运动控制 部分； 所述水听器自动运动控制部分包括装在水池上方、实现水听器在声场中三维运动的第 一运动机构，其中第一运动机构由电机驱动，在水听器安装装置上装有第一转盘和第一俯 仰角调节装置，分别实现水听器的转动和俯仰角的调节； 所述聚焦换能器手动运动控制部分包括装在水池上方、实现聚焦换能器在声场中三维 运动的第二运动机构，其中第二运动机构由手动驱动，在聚焦换能器安装装置上装有第二 转盘和第二俯仰角调节装置，分别实现聚焦换能器的转动和俯仰角的调节； 所述信号发生器产生脉冲信号通过功率放大器之后激励聚焦换能器向水中辐射声 波； 所述水听器接收的信号经过前置放大后，由数字示波器进行显示； 所述计算机控制高精度机械运动装置进行扫描测量并通过串口通信对数字示波器的 f目号进行米集。
2. 根据权利要求1所述的一种水声聚焦换能器声功率测量装置，其特征在于：所述的 第一运动机构的定位精度为0. 02mm。
【专利摘要】本实用新型涉及一种水声聚焦换能器声功率测量装置。本实用新型中的高精度机械运动装置包括水听器自动运动控制部分和聚焦换能器手动运动控制部分。信号发生器产生脉冲信号通过功率放大器之后激励聚焦换能器向水中辐射声波。水听器接收的信号经过前置放大后，由数字示波器进行显示。计算机控制高精度机械运动装置进行扫描测量并通过串口通信对数字示波器的信号进行采集。本实用新型设计了水听器及换能器俯仰角调节机构并增加转盘机构，保证了水听器工作面和换能器工作面的平行，对参数的测量更加准确；设计了换能器的手动运动调节机构，更加方便的调节换能器的位置。
【IPC分类】G01H3-10
【公开号】CN204575189
【申请号】CN201520242815
【发明人】王成, 郑慧峰, 王月兵, 唐廷浩, 曹文旭
【申请人】中国计量学院
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年4月21日