针式水听器进行声压测试

元件

`原理：当压电材料上的压力(声扰动)发生变化时，压电材料内部的电荷分布就会
成比例地发生变化并且会以电压信号的形式体现出来，因此可通过压电元件表面上的电
极提取这些电荷，经电压放大器或电荷放大器放大后，由信号处理示波器显示出能反映
声波波形的图像,这样就以很直接的方法完成了超声声场中声压的测量。
要求：针式水听器由于直径很小因而可检测测量点的声压，实际上是针式水听器直
径尺寸范围的平均声压；原则上针式水听器的直径越小越好，至少小于声场的1 个波长，
如15MHz 的声场，则针式水听器的直径要小于0.1mm。针式水听器是测量声场和声压的
首选换能器（一级标准测量工具），适合连续波和脉冲波的测量。针式水听器针尖上有
一层通常为几个微米厚的PVDF 薄膜，现在可以做到9－28μm 的膜厚，这层薄膜就相当
于一个高灵敏度的压电换能器，能将接收到的声压信号转换为相应的电压信号，目前英
国PA 公司可做到40μm－4mm，在20K－35MHz 频率范围针式水听器具有平坦的测量特性。
针式水听器及其原理图如下所示：
针式水听器外观图

(a) 针式水听器外观图(b) 针式水听器结构图
事项：由于水听器针尖的聚偏氟乙烯薄膜非常脆弱，因此使用针式水听器时注意不
能用手或任何其他物体碰水听器针尖。清洗水听器时，用蒸馏水轻轻冲洗，特殊情况下
可以用新鲜柠檬汁处理。
优点：水听器体积非常小，不会对测试声场造成大的干扰，同时灵敏度高，使用方
便，价格也相对便宜。
介绍：通常针式水听器使用时需要配以水浸式前置放大器，DC 耦合器以及水听器辅
助放大器。它们分别介绍如下：

前置放大器（Submersible Preamplifier）的作用是放大水听器接收到的声信号。
直流耦合（DC Coupler）的作用是提供直流电压，驱动前置放大器；以及作为前置
放大器和测量系统之间的声信号耦合器。
由于水听器的输出信号一般非常微弱，因此在将其输入采集和显示系统前，通常还
需要经过一个水听器辅助放大器，进一步放大水听器接收到的声信号。
使用：PVDF 针式水听器测试系统如图所示。用示波器(或高速数据采集卡)作为信号
的显示器和采集器，可以得到声场中单点的声压波形，对于连续波无需同步信号检测，
而对脉冲波要用同步触发检测。
如果将水听器夹持在3 维机械运动（如UMS3）装置上可以重构出换能器的3 维的声
场。其中若采用扫描系统移动水听器进行扫描，就可以得到一个截面上的声压分布，再
由一个个截面声压构成3 维声场分布。
使用了两个放大器来放大水听器的信号，浸入式前置放大器和水听器辅助放大器，
这是因为水听器信号通常很微弱，需要进行两级放大。

QQ截图20160413161423.jpg

计算：水听器直接输出的信号是电压信号，用灵敏度进行转换后，就成为了对应的声压
信号。得到电压-时间波形后，可以计算声强和声功率。空间峰值脉冲平均强度ISPPA 的计
算公式如下所示：

其中0
 为水的密度， 0 c 为水中的声速，p(t)为时变的声压波形，T 为波形的周期，n为所
选波形的整周期数， 0 t 为第一个满幅值周期的延迟时间，t 为时间。
总结：PVDF 针式水听器体积非常小，不会对测试声场造成大的干扰，可以测量连续波和
脉冲波声压，同时灵敏度高，使用方便；它的缺点是带宽相对较窄，频率响应较平坦，
能够测量的声压范围有限。适用于测试低声压值的声场。同时由于水听器体积小，移动
方便，可以得到声场的截面图和3 维声场分布，也可以应用于多种超声换能器的测试，
如相控阵换能器探头等。

` 现场测试图