GB/T 17252-1998 声学 100kHz以下超声压电换能器的特性和测量

GB/T 17252-1998 声学 100kHz以下超声压电换能器的特性和测量的部分内容

GH/T 17252—1998

本标准是参照国际电工委员会技术报告1EC1088：1991&超声压电陶瓷换能器的特生和测量制定的，编写规则遵守GB/T1.1—199.3的规定，本标准与技术报告IEC1088在技术内容上基本相同·仅有以下不同：1.IFC1088的名称为\超声压电陶瓷换能器的持性和测量”.凡是压电类型的部适用.因此去掉“陶瓷”的限定范围。另一方面，为避免混淆，把标准适用的频率范围放在名称内，为使用者提供方便。所以我们把本标准名称改为现在的\100kH2以下超声压电换能器的特性和测量”2.[EC1088第3章定义中用到第1章“换能露的分类”中的内容，在制定本标准时，把第+章的\P类换能器”“A类换能器\的分类接敬在第3章的定义中，我们认为这样安排更合理。3. IEC 1088 的公式(3. 7) Vv =sm * / 2

我们认为有误，应为Vev=

本标准的附录A.附录B和附录C部是提示性的。本标准由全国声学标准化技术委员会提出并阳。Er

木标准起草单位：中国科学院声学研究所，中国船舶工业总公司715所，今标准主要起草人：朱厚螂、邢艳红、衰文俊、荐耀泉。1范围

中华人民共和国国家标翟

声学 kHz以下超声压电换能器的特性和测量

Acoustics-Characteristics and measurements ofultrasonicpiezoeiectric transducerg upto 100kHzGB/T 17252--1998

本标准规定了超声能量应用在工业方面的压电换能器的基本电声特性及其测量方法。本标准造用于 100 kHz 以下的单一共振频率的压电纵向振动换能器。2引用标准

下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文，在标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。GB/T3947—1996声学名词术语

3定文

本标准采用下列定义。

3.↑ 人电动率 P。 input electrical power某一给定频率下，换能器从功率发生器中吸收的有效交流功率，单位为瓦，W。注：输入电功率可以表示为：

P,- Vr - Ireost

式中：V--—换能输人电压的均方根值,V：It——通过换能器的电流的均方根值，AI—Vr 和 II 之间的相位差,(\),3.1.1 输入电功率顺率响应曲线P.(f）frequency response curve for input electrical power换能器输入电压为恒定时，P.值与赖率的关系曲线。3. 1. 2 谐振时的输入电功率 P. input electriral power et resonance输入电功率频率响应曲线的最大值。3.2翰出声功率P，output acousrical power换能器辐射到介质中的声功率，单位为瓦，研。3.3 P 类换能器transducers af cetegoty F供用于向空气或液体中辐射声功率的换能器。注，为改普换能器与介质之间的匹配，可增加一个与换随器辐射面连接的阻抗匹配器，也是换能器的一个要的部分。

3.4A类换能器

ftransducers af category A

供用于对各种固体处理的换能器。注：与换能器暂射面相连的带有如工工兵的机变幅杆应看作换能器的组成部分。国家技术监督高1948.03.18批准1998。10-01 实施

GB/T17252—1998

3.5振动位移幅度vibrationaldisplacementamplitudeA类换能器的加工头或变幅杆中心振动位移幅度的轴向分量，单位为微米，μm。P类换能器振动位移幅度是辐射面给定点的纵向振动位移的幅度。3.5.1振动位移幅度频率响应曲线(f）frequencyresponsecurve[orvibrationaldisplacementam-plitude

换能器的输入电压为恒定时，振动位移幅度值与频率之间的关系曲线。3.5.2共振时振动位移幅度rvibration displacement amplizude ar resonance换能器的输入电压恒定，额率变化时派动位移幅度的最大值：3.6共振频率fIrequency of resonance对应于输入电功率频率响应曲线（P类换能器）或振动位移辐度频率响应曲线（A类换能器）最大值的频率，单位为干赫，kHz。

3.7带宽fbandwidth

换能器频率响应曲线上f两侧对应等于0.5P.值的频率（P类换能器）或是对应等于最大值的0.707时的颊率（A类换能器）间的宽度，单位为干赫，kHz。3.7.1换能器的机械品质因数Qechanicalqualityfactorofthetransducer共振频率与带宽的比值。

3.8换能器的电阻抗electrical impedance of the transducer2

在某一给定频率下，换能器激励为简谐波（正弦型周期振动）的条件下，在此频率时换能器的电阻抗是换能器的输入电压与通过换能器的电流的复数比值，单位为欧姆，。Z=R+x

式中R和X分别是阻抗的实部和虚部。注

1电阻杭也可以表示为：

2= izI(cag +ysing)

IZI= VR*+ Xrtanp

式中：2|V+/-—阻抗的绝对值，效值匕等于换能器输人电压的均方根与电流的均方根的比值；中——电流和电压之阅的相位差。2对于大功率工作的情况，输入阻抗与激励电压有关时，应注明激励电底值。3.8.1共振时的电阻抗Zelectricalimpedanceatresonance在共振额率处的电阻抗值。

注！电阻抗各相应分量表示为：RX，2|和，3.9换能器的电导纳Yelectricaladmittanceof thetransducer电阻抗的倒数，用下面的复数形式表示：-G+B

式中G和B分别是导纳的实部和靠部，单位为西门子，S。导纳的实部和虚部与电阻抗各分量之间的关系为：R

G=R年iB=R

3.9.1钳定换能器的电导纳Yelectrical admittance oftheclamped transducer在换能器没有机械振动情况下的电导纳，单位为西门子，S。注：电导纳的实部和虚部分别用G1.B.表示，(3)

GB/T17252—1998

Ca -- B./2nf

3.10换能器的灵敏度senaitivityofthetransducer3.10.1“位移-电压”灵敏度Mry“displacement-voltage”gensitivity6)

在共振频率处振动位移幅度与换能器输入电压幅度的比值，单位为微米每伏，m/V。可表示为：Meu =

式中：—振动位移的幅值；

V-.一共振频率处电压的均方根值。VTrs

3.10.2*位移平方-功率”灵敏度M“squareddisplacement-pawer”sensitivity在共握频率处派动位移幅值的平为与输入电功率之比，单位为微米平方每瓦（um)\/W。Mn=

注：“位移平方-功率\灵敏度是A类换能器效率的电度，3.11电声效率nelectroacousticalefficiencyP类换能器辐射到介质的声功率与输入电功率的比值。Te.=

4测壁紊件

4.1概述

（8）)

换能器特性的测量应尽可能在换能器的实际工作策件下进行，对环境温度，冷却，换能器的支持和声负载类型等重要因素予以适当考虑。4.1.1声负载

如果声负载的类型没有特殊要求，则A类换能器测基应在空气中进行：P类换能器应在工作介质中进行。在声负载为液体的情况下，应考虑到测登槽中液面的高度和由于介质中空化的变化与声功率大小有关等因素(见附录B)。

4.2测量准备

4.2.1换能器的准备

浸水前，应将换能器的所有表面及其附件上的沾染物和油渍仔细地清除掉。如果测量中对换能器的位置没有特殊要求，则换能器的教置应避免气泡在表面积。4.2.2水的准备

水应加热到70℃以上以除去气体，然后用可产生空化的有足够超声强度的超声处理2h，不需要额外加热，然后冷却到操作温度，或选用25℃土5℃C的除气水。制备除气水的最简单方法是将水煮沸，并保持15min，然后冷却到54℃，灌满瓶子，用带玻璃管的橡皮塞塞紧.玻璃管外带软管，充满水后夹紧：冷却贮存，保持局部真空。

在使用时放开夹子，注入水槽，防止空气带入。4.3测量条件

测量时，要用交流邀励电压额定值，不允许用低功率条件下测量的参数值来推断高功率条件下相应的值：

激励电压值，输人电功率和对测量结果有影响的参数都应与测量结果一并记录。应注意输入电功率和振动极度不要超过制造商规定的频定植4.4

GB/T17252—1998

激功率发生器的额率和动态范围与测量设备均应满足被测换能器的要求。5电参数的测量

5.1换能器输入电压的测量

换能器的输入电压直接用连接在换能器输入端的电压表来测量，电压表的输入电阻抗至少比换能器的电阻抗大100倍。测量误差应不超过土1%。5.2换能器输入电流的测量

换能器输入端的电流的测量，可以直接用高癫电流表与换能器串联或用电流变换器来测世。测量误差应不超过士1.5%。

注，换能器输入电流可以由V./r来得到，其中V，是与换能器申联的无电抗性的小电阻rs两端的电压.在测量期间电阻值应不低于二0.5%或更高的准确度，测量电压的误差应不超过士1%。5.3换能器输入端电流-电压相位差的测量相位差可直接用电子相位计测量。测量误差应不超过土2\。5.4输入电功率的测量

输入电功率直接用连接在輪入端的电子瓦特计来测量。测量误差应不超过主5%。注，输入电功率可以用式(1)来计算。Vt、I-和可以据5.1到5.3条实测得到。5.5换能电阻抗(导纳>的测量

换能器电阻抗或导纳可以直接用阻抗电桥或导纳电桥测量。测量误差应不超过士5%注，电阻抗值可以用式(3)来计算得到，电导纳可以用下面关系式求得：Y-

(cosgjgin

式中Vt，I和也是根据5.1到5.3条的实测值。6振动位移幅度的测量

.*+-..-[ 10 3

振动位移幅度用读数显微镜测量，显微镜可以调整亲焦在换能器或变幅杆的特殊光照面上一点。当换能器在某一超声频率握动时，如果振动沿中间坐标纯轴向振动，划亮点变成一条直线。姐果振动有横向分量，则直线有一定的角度。如果轴向和横向报动之间有相移，亮点就形成一椭圆。直线段或摘圆在其中心坐标轴上的投影大小是振动位移幅度的两倍。显微镜的放大倍数应在100到500的范国内。用这种方法可以测量出不小于2的幅度。注：握动位移握度也可以用速度计或各种不同类型的抵动计直接测。测量误整应不超过去2.5%。7换能器的特性和测量方法

7.1换能器的共振频率和共振时输入电功率换能器的共振频率和共振时的输入电功率由对输人电功率的赖率响应曲线来决定。在革一给定激励频率下的电功率可参照5.4条测量，频率则用电子频率计测。测量频率响应曲线时，换能器输入电压应保证在额定值。声负载类型也要记录。共振时换能器的输入电功率P.等于P.)的最大值。出现最大值时的激励频率等于换能器的共振频率。7.2带宽和品质因数

换能器的带宽等于输入电功率的频率响应曲线（见7、1条）上f...两侧P.为0.5P：r时的两个额率之差（见 3. 7条)。

换能器的品质因数由式（2)决定。测量条件应符合参数的额定值，声负载类型也应记录。7.3共振时的振动位移幅度

GB/T 17252-1998

应记录在案，激励频率与共振频率之差不应超过0.16f/Q(Hz)。7.4换能器的“位移-电压\灵敏度换能器的“位移-电压”灵敏度可以用式(7)来计算。换能器的振动位移幅度和输入的有效电玉在共振频率处确定，

7.5换能器的输出声功率

换能器辐射到介质的声功率由输入电功率的赖率响应曲线决定：入电功率由换能器有指定负载和无负载情况下实测得到（见图1）。测量有负载的换能器的癫率确应曲线时，输入电压应保持为额定值（见7.1条）：无声负载对，输人电压应降低，使振动位移幅度等于通常带有负载条件下的额定值：换能的输出声功率由式(I1)计算;P, = Per Pnu Pel + Pt

式中：P:心一一在共振频率于时.有负载换能器的输人电功率(图 1 中线段 AB)1P1--在共振频率了时，换能器的损耗电功率（图1中线段BC)，Pi-在光振频率”n处无负较换能器的输人电功率(图1中AB,);P1一一共振频率处无负载换能器的掘耗电功率(图1中线段B心)。+--(11)

在共振频率下，有负载的和无负载的换能器输人电功率值可分别依据7.1求出。对应共振频率f.和fm,P和 P的值,可由式(12)、式(13)计算：P., - af..

...(12)

系数a 可由在+1 小于f(1一2/Q),大于于m(1十2/Q)的范围内 5个比值P,(1)//1的平值求出。其中食是有负载换能器的品质因数。系数a可由在f1小于 r(1→2/Q）,天于 产m(1十2/Q)的范围内5个比值P(:)/f的平均值求出。Q是无负载换能器的品质因数，7.6换能器的电声效率

P类换能器的电声效率由式(9)计算。共振时的输出声功率 P,依照7. 5条求得；共振时的輪入电功率P。依7.1 条求得。声负载的类型和工作条件也应记录（见4.3条）。7.7换能器的“位移平方-功率\灵敏A类有负载换能器的\位移平方-功率\灵敏度用式（8)计算。共振时输入电动率P：依7.1条求得；共振时振动位移幅度依7.3条求得；声负载类型和测避条件也应记录。7.8共振时电阻抗

电阻抗用5.5条中描述的方法来测量。换能器的输入电压应保持额定值，谢量电祖抗时,激励频率与共振频率之差应不超过 0.01frQ。7.9钳定换能器的电导纳

钳定换能器的电容和介电损耗正切（见3.9.1条）可由换能器电阻抗（导纳）的频率响应曲线求得。电阻抗（导纳)的分量，在激励电压为额定值时，小于（1一2/Q)大于f（1→2/Q)之间非共振区域内5个频率点求出（根据5.5条）。钳定换能器的电容应该用下式的平均值求出：1X,

2filR2 + X!

或用 B/2元的乎均值求得，其中R,和X,是在茉一给定题率下电阻抗的实部和腿部(B,是导纳的虚部）。介电损耗正切值由比值G7B.求出（G,悬在相同频率时导纳的实部）。P

GB/T17252—1998

MCN和 M,C,N1分别是有负载(1)和无负载(2)条作下电机耗动率的颗率特性图1

换能器输入电功率的频率特性

GB/T 17252—1998

附录A

(提示的附录）

换能器的非线性特性

测量时使用的邀信号的功率和电压电工作时的条件决定。介电损耗正切取决于激励电压，机电损耗因子由振动位移幅度决定；机电耦合系数也与激励电压有关。因此，带宽，品质因数，效率和换能器的灵敏度也与激励电压有关。

附录B

（提示的附录）

负载阻抗与振动位移幅度的关系典线换能器的灵敏度和效率与机械负载的阻抗大小有关。在低振动位移辐度时（非空化区），负教阻抗（辐射人无反射的水负载情况下）只由介质特性和辐射区域决定。如果出现空化，负载阻抗会降低。如图B1所示，在未完全除气的水中，28kHz频率时，负载阻抗是振动速度（与振动位移幅度成正比）的非线性函数,并存在-个滞后效应。

增加振动速度幅度

减小振动度橱度

振京 ms-

图B1负载特性阻抗Z./S曲线为振动速度大小的函数0.25

GB/T17252—1998

附景C

（提示的附录）

考文献

E1] Kolesnikoy A. E. Acousttcal mezsurements,Leningrad,Sidostroene. 1s83Gin Russian).[2] Physzcat Acoustes, ed., by W. P. Mason.Vol. l.\Methods and Devices\,Part A.l96t,Academ-Le Press.New Yark and landon.[3] Uitrasonir Transducers+ed,by Y.Kikuchi,Corona Publishing Company,Ltd..Tokyo,1969.[4J J, Warren Horton,Fundamentals of Somar,U. S. Naval Institute Annapolis, Maryland, 1965.

北检院检验检测中心能够参考《GB/T 17252-1998 声学 100kHz以下超声压电换能器的特性和测量》中的检验检测项目，对规范内及相关产品的技术要求及各项指标进行分析测试。并出具检测报告。

检测范围包含《GB/T 17252-1998 声学 100kHz以下超声压电换能器的特性和测量》中适用范围中的所有样品。

测试项目

按照标准中给出的实验方法及实验方案、对需要检测的项目进行检验测试，检测项目包含《GB/T 17252-1998 声学 100kHz以下超声压电换能器的特性和测量》中规定的所有项目，以及出厂检验、型式检验等。

热门检测项目推荐

检测流程

线上咨询或者拨打咨询电话;

获取样品信息和检测项目;

支付检测费用并签署委托书;

开展实验，获取相关数据资料;

出具检测报告。

北检研究院的服务范围

1、指标检测：按国标、行标及其他规范方法检测

2、仪器共享：按仪器规范或用户提供的规范检测

3、主成分分析：对含量高的组分或你所规定的某种组分进行5~7天检测。

4，样品前处理：对产品进行预处理后，进行样品前处理，包括样品的采集与保存，样品的提取与分离，样品的鉴定以及样品的初步分析，通过逆向剖析确定原料化学名称及含量等共10个步骤;

5、深度分析：根据成分分析对采购的原料标准品做准确的定性定量检测，然后给出参考工艺及原料的推荐。最后对产品的质量控制及生产过程中出现问题及时解决。