低超声频辐射力天平的制作方法

本实用新型涉及一种测量低频超声换能器在水中的输出声功率的声功率计装置，属于声学计量仪器领域,尤指一种主要应用于超声处理、加工、清洗、化学、医疗和水声工程等行业的超声设备的输出声功率的测量装置。

背景技术：

辐射力天平RFB(radiation force balance)是超声换能器的声输出功率测量的基本方法。是国际电工委员会IEC(International Electrotechnical Commission)标准IEC 61161-:2013和中国国家标准GB/T 7966-2009规定的标准方法。它利用测量靶(一种量器)在水中截取全部声束的能量流——声功率，测得靶上所受的轴向辐射力再用相应的换算系数将其换算成声功率。

但目前RFB法只能测定在自由场里的集束的超声波(平面波，聚焦波)束，要求声源的尺寸至少大于煤质中的声波长。即ka＞5，其中：k＝2π/λ为声波数，a为低超声频换能器的辐射面半径，λ为水中的声波长。在不满足这一条件的低频超声波，由于声波发生几乎全向性的发散，声辐射中包含后向和侧向发射波，传统的辐射力天平装置就失效了。因此迄今RFB法一般只适用于500kHz－15MHz的超声功率测量，无法用于低超声频功率测量。

目前的测量低频声功率的标准方法是声压法(GB/T7965-2002)。使用已校准的水听器测量在声源声场的远场声压分布，在远场里做三维球面扫描,测定三维指向性图案，应用三维球面声强积分，计算得到发射声功率。此法要测量声场分布，比较费时效率低，计算中参数误差较大，还需使用已校准的水听器(包含校准不确定度10％)，因此属于二级测量，测量不确定度约为30％。

技术实现要素：

为了克服上述不足之处，本实用新型的主要目的旨在提供一种全新的测量低超声频换能器的输出声功率的辐射力天平装置。利用水面的反射效应把后向发射波的声能流(声功率)反射回来，与前向发射的直达波叠加，形成合成声场。通过特殊设计的吸收靶，截获全部声能量流(声功率)，接收合成声场在所有方向的声强分量，利用靶上所受的全部轴向辐射力分量，将其叠加成可供测量的轴向总辐射力。本实用新型的核心是半球形凹面吸收靶的结构设计，使用测力系统测得靶上所受的轴向总辐射力，再将其换算成声功率的低超声频辐射力天平。

本实用新型要解决的技术问题是：主要解决如何设计半球形凹面吸收靶的结构问题，要解决其它多种特殊设计的吸收靶的结构问题，还要解决各种吸声橡胶尖劈单元的组合等有关技术问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：该低频辐射力天平包括换能器安装架、半球形凹面吸收靶、测力系统、测量水槽、除气水、悬吊细丝、悬吊传力支架、浮子块以及待测的低超声频换能器等部件；半球形凹面吸收靶安装在注满除气水的测量水槽内，用悬吊细丝悬挂在悬吊传力支架上端的环上，其孔径平面朝上处于水下贴近水面处，悬吊传力支架下部的平面坐落在测力系统电子天平的称盘上，上述各部件组合为一整体低超声频辐射力天平，其中：

待测的低超声频换能器通过换能器安装架固定在测量水槽上方，其发射端面向下，浸没在水中贴近水面处，半球面吸收靶的孔径面朝上平行于水平面，其球心与低超声频换能器的端面中心重合，测量水槽安装在悬吊传力支架内且相互不接触，测量水槽内充满除气水,浮子块通过粘结剂粘结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,换能器安装架的基座安装固定在测力系统的同一水平面上。

进一步的，所述的低超声频辐射力天平低超声频换能器的辐射面要浸入到水面以下1mm-2mm的深度位置，其辐射面向下，中心要在半球形凹面吸收靶的球心位置。

进一步的，所述的低超声频辐射力天平的半球形凹面吸收靶的凹面朝上，其孔径面测量时置于在水面以下1mm-2mm的深度位置。

进一步的，所述的低超声频辐射力天平的半球形凹面吸收靶的几何尺寸与超声波频率有关，在10kHz-100kHz频率范围内，几何尺寸为：球心到所有尖劈顶点的距离R＞πa²/λ,其中a为低超声频换能器的辐射面半径，λ为水中的声波长，尖劈锥部的顶角＜32°；单个锥体的底部的宽度w＝长度d，w＝d≤15mm,锥体的底座的厚度t≥10mm。

进一步的，所述的低超声频辐射力天平的半球形凹面吸收靶由相同的菱锥形吸声橡胶尖劈单元组成，紧密而均匀地布设组成马赛克凹球面，拼接成贴面贴复在不锈钢或塑料制成的半球形凹面薄壳内壁。

进一步的，所述的低超声频辐射力天平的半球形凹面吸收靶由不同直径的吸声橡胶圆环形尖劈单元组合而成，它们是横截面为等腰三角形加矩形基座的吸声橡胶尖劈圆环，圆环的横截面相同，圆环直径依次递增，由下往上连续叠合起来，形成半球形整体凹面吸收靶结构，其几何参数设有球心到尖劈顶端的距离R，尖劈高度为h，底座厚度为t，宽度为w和半凹球形靶的外直径D。

进一步的，所述的低超声频辐射力天平的菱锥形吸声橡胶尖劈单元由一个尖劈高度为h、底面为正方形，边长为宽度w＝长度d的正四角菱锥形的上部，和一个与其相连的底座厚度为t边长为d＝w的正方体下部组成，两者连为一体，在模具中浇灌吸声橡胶固化后成为一体的结构。

进一步的，所述的低超声频辐射力天平的吸声橡胶尖劈单元的组合，为特种整体浇注成型结构，所有尖劈单元的对称轴均指向半球的球心。

进一步的，所述的低超声频辐射力天平的半球形凹面吸收靶的声反射系数≤0.10，声吸收系数≥99％。

本实用新型的有益效果是：该辐射力天平克服了现有低超声频换能器功率测量的不足之处，成功地解决了在10kHz-100kHz频率范围内的低超声频换能器超声功率测量问题，通过半球形凹面吸收靶的结构设计，利用水面的反射效应把后向发射波的声能流反射回来，与前向发射的直达波叠加，形成合成声场，使用测力系统测得靶上所受的轴向总辐射力，再将其换算成声功率的组合装置，具有多种结构形式的吸声橡胶尖劈单元，使用方便，提高效率，减少参数误差等优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

附图1为本实用新型的基本典型结构示意图；

附图2为本实用新型采用防水测力传感器的结构示意图；

附图3为本实用新型用于超声清洗机换能器的声功率测量示意图；

附图4为本实用新型半球形凹面吸收靶的吸声橡胶菱锥形尖

劈单元典型结构示意图；

附图5为本实用新型截面为等腰三角形的吸声橡胶尖劈圆环构成的整体半球形凹面吸收靶的结构示意图；

附图中标号说明：

1—换能器安装架；

2—半球形凹面吸收靶；

3—测力系统；

4—测量水槽；

5—除气水；

6—悬吊细丝；

7—悬吊传力支架；

8—浮子块；

9—低超声频换能器；

h—尖劈的高度；

t-底座厚度；

d-底座长度；

w-底座宽度；

F-轴向辐射力；

D-半凹球形靶的外直径；

R-球心到尖劈顶端的距离；

具体实施方式

请参阅附图1、2、3、4及5所示，本实用新型设有换能器安装架1、半球形凹面吸收靶2、测力系统3、测量水槽4、除气水5、悬吊细丝6、悬吊传力支架7、浮子块8以及待测的低超声频换能器9等部件；半球形凹面吸收靶2安装在注满除气水5的测量水槽4内，用悬吊细丝6悬挂在悬吊传力支架7上端的环上，其孔径平面朝上处于水下贴近水面处，悬吊传力支架7下部的平面坐落在测力系统3电子天平的称盘上，上述各部件组合为一整体低超声频辐射力天平，其中：

待测的低超声频换能器9通过换能器安装架1固定在测量水槽4上方，其发射端面向下，浸没在水中贴近水面处，半球面吸收靶2的孔径面朝上平行于水平面，其球心与低超声频换能器9的端面中心重合，测量水槽4安装在悬吊传力支架7内且相互不接触，清洗水槽4内充满除气水5,浮子块8通过粘结剂粘结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,换能器安装架1的基座安装固定在测力系统3的同一水平面上。

进一步的，所述的低超声频辐射力天平的低超声频换能器9的辐射面要浸入到水面以下1mm-2mm的深度位置，其辐射面向下，中心要在半球形凹面吸收靶2的球心位置。对超声清洗机换能器是紧密粘结在水槽底面，向上发射。

进一步的，所述的低超声频辐射力天平的半球形凹面吸收靶2的凹面朝上，其孔径面测量时置于在水面以下1mm-2mm的深度位置。对超声清洗机换能器，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。

进一步的，所述的低超声频辐射力天平的半球形凹面吸收靶2的几何尺寸与超声波频率有关，在10kHz-100kHz频率范围内，几何尺寸为：球心到所有尖劈顶点的距离R＞πa²/λ,其中a为低超声频换能器的辐射面半径，λ为水中的声波长，尖劈锥部的顶角＜32°；单个锥体的底部的宽度w＝长度d，w＝d≤15mm,锥体的底座厚度t≥10mm。

进一步的，所述的低超声频辐射力天平的半球形凹面吸收靶2由相同的菱锥形吸声橡胶尖劈单元组成，紧密而均匀地布设组成马赛克凹球面，拼接成贴面贴复在不锈钢或塑料制成的半球形凹面薄壳内壁。

进一步的，所述的低超声频辐射力天平的半球形凹面吸收靶2由不同直径的吸声橡胶圆环形尖劈单元组合而成，它们是横截面为等腰三角形加矩形基座的吸声橡胶尖劈圆环，圆环的横截面相同，圆环直径依次递增，由下往上连续叠合起来，形成半球形整体凹面吸收靶结构，所有圆环尖劈的截面对称轴均须指向半球的球心。其几何参数设有球心到尖劈顶端的距离R，尖劈高度为h，底座厚度为t，宽度为w和半凹球形靶的外直径D。

进一步的，所述的低超声频辐射力天平的菱锥形吸声橡胶尖劈单元由一个尖劈高度为h、底面为正方形，边长为宽度w＝长度d的正四角菱锥形的上部，和一个与其相连的底座厚度为t边长为d＝w的正方体下部组成，两者连为一体，在模具中浇灌吸声橡胶固化后成为一体的结构。

进一步的，所述的低超声频辐射力天平的吸声橡胶尖劈单元的组合，为特种整体浇注成型结构，所有尖劈单元的对称轴均须指向半球的球心。

进一步的，所述的低超声频辐射力天平的半球形凹面吸收靶2的声反射系数≤0.10，声吸收系数≥99％。

本实用新型为两种测力系统(天平和力传感器系统)的可行方案。

本实用新型使用轻质材料(泡沫塑料、或软木、或空心浮子)制成的浮子块，抵消半球形吸收靶的大部分重力，使测力系统所受的力处于它的量程之内的方法。

本实用新型的具体结构特征如下：

请参阅附图1所示，本实用新型的基本构成是：换能器安装架1、半球形凹面吸收靶2、测力系统3、测量水槽4、除气水5、悬吊细丝6、悬吊传力支架7、浮力块8组成。半球形凹面吸收靶2是将其截获的全部声功率转换成辐射力的核心部件。它安装在注满除气水5的测量水槽4内，用悬吊细丝6悬挂在悬吊传力支架1的上端环上，令其孔径平面朝上处于水下贴近且平行于水面处。悬吊传力支架7下部的平板坐落在测力系统3(采用电子天平)的称盘上。用换能器安装架1固定的被测低超声频换能器9(或其变幅杆)，其发射端面向下，浸没在水中贴近水面处。半球面吸收靶2的孔径面朝上平行于水平面，其球心要求与低超声频换能器1的端面中心重合。

当位于半球面的中心的低超声频换能器9(或其变幅杆)的辐射面向下发射超声时，吸收靶2截取全部声功率就会受到声辐射力的作用，靶上所受的轴向声辐射力就通过三根悬吊细丝6和悬吊传力支架7，传递到测力系统3(电子天平)的称盘上，被天平测得。浮子块8是固定在靶的外侧的浮子的组合，用它的浮力抵消吸收靶的大部分重力，使作用在天平称盘上的力处于天平的量程之内。

请参阅附图2所示，图2示出采用防水测力传感器的低超声频辐射力天平。它的更简单的构成是:测力系统3采用防水的测力传感器，安装在水槽4内半球形凹面吸收靶2的底下，直接测量半球形凹面吸收靶2上的轴向辐射力。省去了图1所示的方案里的悬吊细丝6和悬吊支架7，简化了测量水槽的构造。浮子块8是固定在靶的外侧的浮子的组合，用它的浮力抵消吸收靶的大部分重力，使作用在测力传感器上的力处于测力传感器的量程之内。

请参阅附图3所示，图3示出用于超声清洗机换能器声功率测量的辐射力天平的示意图。超声清洗机的换能器通常是被粘合在清洗水槽4的底面的外侧面上，透过清洗水槽4底面金属薄板向槽内除气水5发射超声。清洗水槽4内充满除气水5。因此，朝下的半球形凹面吸收靶2的孔径要贴近底面，能截取换能器发射的全部声功率(包括槽底面反射的声功率)。由此产生了对半球形凹面吸收靶2的声辐射力，其轴向辐射力F，经过一根悬吊细丝6传递到测力系统3(天平或力传感器)，被它测得。浮子块8是固定在靶的外侧，用它的浮力抵消吸收靶的大部分重力，使作用在测力系统3上的力处于它的的量程之内。

请参阅附图4所示，图4示出了组成半球形凹面吸声靶的吸声橡胶菱锥形尖劈单元的典型设计。它是有一个高度为h、底面为正方形边长为d＝w的正四角菱锥形的上部，和一个与其相连的一定厚度t边长为d＝w的正方体下部组成，二者连为一体。用无硫吸声橡胶制成。用这种尖劈单元紧密无间地排列粘结在适当尺寸的半球形不锈钢或塑料制的凹面的壳体表面，制成所要求的半球形凹面吸收靶。用特殊的模具中浇灌吸声橡胶也能制成所要求的吸收靶。

请参阅附图5所示，图5示出了截面为三角形的圆环形吸声橡胶尖劈构成的整体半凹球形靶的构造。这是用横截面为等腰三角形加矩形基座的不同直径的吸声橡胶尖劈圆环，由下往上连续叠合起来，类似地球仪上的纬线那样由高纬度向赤道平面叠合，形成半球形整体凹面吸收靶。所有的圆环的横截面相同，圆环横截面的对称轴全部指向球心。几何参数设有：球心到尖劈顶端的距离R，尖劈的高度h，底座厚度t，底座宽度w和半凹球形靶的外直径D。并用特殊的模具中浇灌吸声橡胶制成所要求的吸收靶。

请参阅附图1所示，本实用新型测量时半球面吸收靶2浸没在水中，凹面向上，孔径平面紧贴水面深度为1mm-2mm，其球心与低超声频换能器1辐射面中心重合。吸收靶2用三根悬吊细丝6悬挂在悬吊传力支架7上端的环上，通过悬吊传力支架7下部的平板，把吸收靶2所受的向下的辐射力传递到测力系统3(天平或测力传感器)上。用测力系统测得轴向声辐射力F。

用下式计算换能器输出的时间平均声功率P

P＝r_P/cFcF(1+γ²)^-1e^2αR (1)式中：P-输出声功率；F-轴向辐射力；c-水中的声速；r_P/cF-输出声功率对轴向辐射力与声速乘积的比值；γ-吸收靶的声压反射系数；α-水的声衰减系数，R-半球形吸收靶的球心到尖劈顶端的距离，亦即低超声频换能器中心到吸收靶尖劈顶端的距离。

本实用新型并非用以限定本实用新型，任何熟悉此技术者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作一些更改与润饰。

虽然本实用新型已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应该认识到，以上的实施例仅仅是用来说明本实用新型，在没有脱离本实用新型精神的情况下还可作出各种等效的变化和修改，因此，只要在本实用新型的实质精神范围内对上述实施例的变化，变换都将落在本实用新型权利要求书的范围里。