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针式水听器进行声压测试

针式水听器进行声压测试
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
优选换能器（**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：

(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：
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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。

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**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。

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