3T/SZAMDIXXXX—XXXX高頻陣列超聲換能器基本電聲特性和測量方法本標準規(guī)定了15MHz-50MHz高頻陣列超聲換能器基本電聲特性的表征參數(shù)、測量條件、測量方法和測量步驟。本標準適用于超聲探頭中換能器部分的電聲特性和測量方法。2規(guī)范性引用文件下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T3102.7聲學的量和單位GB/T2900.86電工術語電學和電聲學GB/T2900.88電工學術語超聲學3術語和定義GB/T2900.86、GB/T2900.88、GB/T3102.7界定的以及下列術語和定義適用于本文件。3.1換能器元件由特定材料制成，能夠將電能轉變?yōu)闄C械能又能將機械能轉變?yōu)殡娔艿脑?。3.2超聲探頭ultrasonicprobe由超聲換能器、電屏蔽及機械保護用外殼和一體化電纜等組成的整體的通稱。3.3陣列換能器arraytransducer由多個換能元件按照一定方式組合、排布成陣列形式的超聲換能器。3.4陣元arrayelement參與組成陣列式換能器，并作為獨立個體參與波束形成的單個換能元件。3.5脈沖回波最大響應頻率maximumresponsefrequencyofpulseecho由參考平面反射回的第一次脈沖回波頻譜中，與最大幅值對應的頻率。符號：fp單位：赫茲，Hz3.6脈沖回波中心頻率centerfrequencyofpulseecho由參考平面反射回的第一次脈沖回波頻譜中，位于最大幅值兩側，比最大幅值低6dB的兩個頻率fh和fl的算數(shù)平均值。符號：fc單位：赫茲，Hz3.7串擾crosstalkT/SZAMDIXXXX—XXXX4相鄰的2個陣元之間的信號相互耦合，是一個陣元振動引起相鄰陣元受迫振動而產(chǎn)生的耦合信號和電纜信號線之間的互感和互容引起線上的噪聲信號的總和。4表征參數(shù)本標準中采用下列參數(shù)描述脫機狀態(tài)下高頻陣列超聲換能器（以下簡稱“被測換能器”）的電聲特a)脈沖回波中心頻率；b)脈沖回波相對帶寬；c)脈沖回波持續(xù)時間；d)脈沖回波幅值；e)陣元性能一致性；f)陣元串擾；g)插入損耗；h)脈沖回波波束寬度；i)阻抗特性；除f)、g)條外，均對陣列整個長度內所有5測量條件5.1測量儀器設備(1)信號發(fā)生器信號發(fā)生器要求如下：不窄于0.5MHz-80MHz，連續(xù)可調。(2)脈沖信號發(fā)生器DPR500脈沖信號發(fā)生器要求如下：前沿上升時間：小于10ns脈沖持續(xù)時間：輸出幅度：大于50V；輸出阻抗：50歐(3)通用示波器通用示波器要求如下：采樣頻率：不低于200MHz靈敏度：小于5mV/div通道數(shù)：不少于2。(4)高頻衰減器頻率范圍：不窄于1Mhz-1GHz輸入輸出阻抗：50ΩT/SZAMDIXXXX—XXXX5(5)測量水槽和機械調整機構水槽尺寸：水槽水平方向尺寸應足夠大，必要時在其內部放置吸聲內襯，水媒質：應金可能的采用蒸餾水或去離子水，并要時進行除氣處理。能夠方便穩(wěn)妥的夾持被測換能器，并可以實現(xiàn)被測換能器的平移和角度調節(jié)。測量水槽內固定有標準反射體，材質一般為不銹鋼，其橫向尺寸應不小于被測換能器長度的2倍，厚度應不下于10mm，其反射面的平整度應不大于0.02mm，粗糙度應小于0.63微米。5.2測量環(huán)境及其他條件外界的振動、噪聲、電磁場等物理因素不至于干擾測量儀器設備的正常工作。連接被測換能器陣列的電纜應盡可能的符合實際使用條件。6測量方法和步驟高頻陣列換能器的電聲特性測量方法稱為頻譜分析法6.1脈沖回波中心頻率等的測量對被測高頻陣列換能器，按照圖1安裝和連接所用儀器設備，其中信號發(fā)射和接收電纜可通過陣元切換電路（可選）連接至被測陣元。圖1頻譜分析法測試換能器特性原理圖(1)將被測換能器的發(fā)射面正對標準反射體，調節(jié)其發(fā)射面與反射面之間的距離，為減少水媒質對高頻信號的衰減效應，該距離一般應≤5mm。(2)觀察被測換能器和標準反射體的表面，去除可見的氣泡。(3)按規(guī)定操作程序開啟各測量儀器。(4)對被測高頻陣列換能器，在陣列上三個不同位置各選擇一個陣元，調節(jié)換能器角度，使其在示波器上顯示的第一次脈沖回波幅度為最大，且聲波往返時間相等。(5)調節(jié)示波器，使其顯示的信號僅有第一次回波，測量第一次脈沖回波幅值Umax。(6)在第一次脈沖回波波形上，對其波形取包絡，在包絡圖上測量比峰值幅度低20dB（幅度為峰值的10%）的兩點間的時間間隔，為被測陣元的脈沖回波持續(xù)時間t20。T/SZAMDIXXXX—XXXX6圖2脈沖回波持續(xù)時間波形圖(7)通過頻譜分析或計算機分析回波幅值下降6dB處高低兩個頻率點（fh、fl按式（1）、式（2）分別計算中心頻率fc和相對帶寬BW。fc=(fh+fl)/2 BW=[(fh-fl)/fc]×100% （2）圖3頻譜分析圖(8)依據(jù)需要，對陣列換能器的全部陣元重復以上操作和計算。對陣列換能器的全部陣元的性能參數(shù)，至少包括：中心頻率fc、回波幅值Umax的一致性能進行分析計算，包括平均值Avg、極差Ran和標準差Std，計算公式分別如下：AVJ=(x1+x2+x3+ +xn)/n………（3）Ran=xmax一xmin 其中xi、xmax、xmin分別代表第i個陣元的測量值、最大值和最小值，n代表陣元數(shù)。6.2陣元串擾2按照圖4安裝和連接所用儀器設備，被測換能器前端浸沒于水媒質中，并采取措施盡可能減少聲反射，發(fā)射信號電纜連接至被測換能器的指定陣元3。開啟儀器，信號發(fā)生器輸出頻率設置為換能器的中心頻率，輸出信號為峰峰值5Vpp周期為20的正T/SZAMDIXXXX—XXXX7弦波信號。用示波器測量此陣元帶載條件下激勵信號幅度，此值標為A0。再用示波器另一通道測量與之相鄰的陣元所接收到的受迫信號的幅度，此值標為A，按式（6）計算出的指定陣元與其最近陣元之間的串擾Ec。Ec=20lg（A/A0）………………（6）為滿足成像的需求，串擾值應低于-30dB4。圖4高頻陣列換能器陣元串擾度測量原理圖6.3插入損耗收發(fā)一體的換能器在實際測試中，通常使用插入損耗IL來表征換能器的靈敏度，插入損耗的定義為超聲換能器的接收電壓與激勵電壓之比，具體公式為IL=20lg+0.6+2.2×10—4×f2×2d(dB)………………（7）測試時，將被測換能器的特定陣元與信號發(fā)生器連接，設置激勵信號為峰-峰值電壓5-Vpp，周期為20的正弦波信號，頻率設置為被測換能器的工作頻率，同樣將換能器放置于去離子、除氣水中，反射靶為拋光的不銹鋼板。在測試過程中，回波信號(vout)利用示波器進行接收，將測試線阻抗設置為1MΩ；再改變測試線阻抗為50Ω,測試激勵信號(vin)。最終的測試結果需要考慮環(huán)境的損耗，0.6dB為補償鋼板反射體的反射產(chǎn)生的損失，f為插入損耗電源激勵電壓的頻率，d為換能器到反射靶的距離。6.4脈沖回波波束寬度陣元的回波波束寬度通過將陣元繞其長度方向的中心線，在一定角度內旋轉，接收反射球靶返回的聲波信號得到。按圖5連接各測量單元裝置，測試時利用脈沖信號發(fā)生器被測換能器的特定陣元進行激勵，將反射球靶分別放置在被測陣元前方1mm、2mm處，通過旋轉裝置使陣元繞其寬度方向步進旋轉，測試每個位置的回波信號。記下聲軸第一回波聲壓下降12dB處的波束寬度。8圖5脈沖回波波束寬度測量原理圖6.5阻抗特性按圖6安裝和連接所用儀器設備，將信號發(fā)射電纜連接至指定陣元。被測換能器放入水中，正對吸聲材料來模擬組織負載。從阻抗分析儀上讀出被測陣元最大響應頻率對應的等效并聯(lián)電阻Re和相位Im。重復上述操作，測試所有陣元的等效阻抗特性。圖6阻抗特性測量原理圖T/SZAMDIXXXX—XXXX9參考文獻1YY0643-2008T超聲脈沖回波診斷性能測試方法2CANNATAJM,WILLIAMSJA,QIFAZ,etal.Developmentofa35-MHzpiezo-compositeultrasoundarrayformedicalimaging[J].IEEETransactionsonUltrasonics,Ferroelectrics,andFrequencyControl,2006,53(1):224-36.3LUKACSM,YINJ,PANGG,etal.PerformanceandCharacterizationofNewMicroma