Приложение А (справочное). Дополнительная информация об особенностях измерений радиационной силы

Приложение А
(справочное)

Дополнительная информация
об особенностях измерений радиационной силы

Данное приложение содержит дополнительную информацию о технических требованиях настоящего стандарта, чтобы помочь реализовать на практике измерения мощности ультразвука. Нумерация разделов, подразделов и пунктов приложения соответствует нумерации в основном тексте стандарта.

А.1 Область применения

Примечание - Радиационная сила эквивалентна изменению усредненного во времени потока энергии [4] и, таким образом, соответствует интенсивности и мощности ультразвука.

А.2 Нормативные ссылки

Дополнительная информация отсутствует.

А.3 Определения

Дополнительная информация отсутствует.

А.4 Обозначения и сокращения

Дополнительная информация отсутствует.

А.5 Системы уравновешивания радиационной силы

А.5.1 Общие положения

Дополнительная информация отсутствует.

А.5.2 Тип мишени

А.5.2.1 Общие положения

Обычно стремятся приблизиться к одному из двух крайних случаев: идеальному поглотителю или идеальному отражателю [10]. Чтобы исключить влияние изменений плавучести из-за колебаний атмосферного давления, сжимаемость мишени должна быть низкой, насколько это возможно. Должно быть также уделено внимание и другим аспектам для достижения максимальной стабильности плавучести мишени.

При проведении измерений мощности с предсказуемой погрешностью выбор типа мишени зависит от того, насколько распространение ультразвукового пучка соответствует теоретическому плосковолновому приближению. В частности, использование отражающей мишени может привести к недопустимо большим погрешностям (см. 5.2.3).

А.5.2.2 Поглощающая мишень

Для поглощающих мишеней обычно используют образцы из подходящей эластичной резины в виде клиньев или без них. Для увеличения поглощения материал может содержать инородные включения (неоднородности).

На рисунке 1 показан пример поглотителя со структурой в виде угловых клиньев. В этом случае концентрация неоднородностей растет от нуля на острие клиньев до 30 % по их объему на их задней поверхности. В качестве неоднородностей удовлетворительно работают полые стеклянные сферы диаметром порядка 0,1 мм; они оказывают лишь незначительное влияние на плотность и сжимаемость эластичного резинового материала.

Другие типы поглотителей описаны в [11], [12].

Ультразвуковые пучки мощностью излучения выше 10 Вт или проявляющие высокую локальную плотность мощности приводят к чрезмерному локальному возрастанию температуры поглотителя, что может стать причиной его повреждения или изменения его акустических свойств. Наблюдалось возрастание температуры выше 50 °С.

А.5.2.3 Отражающая мишень

Главной проблемой является уменьшение сжимаемости отражающей мишени, так как флуктуации воздушного давления вызывают изменение ее объема, а следовательно, и плавучести, пропорциональное ее сжимаемости. Плоские отражатели звука, которые, как правило, реализуются посредством "опертых на воздух" тонких металлических пластин, применять не рекомендуется. Использование в качестве отражателей прочных металлических пластин, наклоненных к оси ультразвукового луча под углом 45°, может привести к погрешностям из-за существенного и частотно-зависимого прохождения ультразвуковой волны в тело мишени [13].

Пригодны отражатели конической формы, сделанные в виде толстостенных полых тел или "опертых на воздух" тонких металлических пластин. Отвечают заданным требованиям и отражатели конической формы, сделанные из очень жесткого пенообразного пластика, покрытого очень тонким металлическим слоем, нанесенным электролитическим способом [10].

Отражающая мишень выпуклого типа

Конический отражатель выпуклого типа приведен в приложении F на рисунках F.1b, F.2 и F.6. Полуугол конуса обычно выбирают равным 45° так, чтобы отраженная волна уходила под прямыми углами от оси ультразвукового луча.

Отражающая мишень вогнутого типа

Конический отражатель вогнутого типа приведен в приложении F на рисунке F.5b. Полуугол конуса, как правило, выбирают в пределах от 60° до 65° так, чтобы отраженная волна проходила на более близком от ультразвукового преобразователя расстоянии, чем в случае выпуклого отражателя.

А.5.3 Диаметр мишени

Ниже приведена оценочная формула для минимального значения радиуса b мишени, который обеспечивает улавливание, по меньшей мере, 98 % радиационной силы, которая бы воздействовала на мишень бесконечных поперечных размеров (т.е. приводит к погрешности менее 2 %) [14]. Равенство верно для круглой поглощающей мишени в поле непрерывно излучающего экранированного круглого поршневого ультразвукового преобразователя радиуса а в непоглощающей среде. Формула имеет вид

,

(А.1)

где

;

;

;

,

где z - расстояние между мишенью и ультразвуковым преобразователем;

- длина ультразвуковой волны в среде распространения;

k =  - волновое число;

s = z/a² - расстояние между мишенью и ультразвуковым преобразователем, нормированное к протяженности ближнего поля.

Равенство (А.1) может быть решено и для s, если необходимо получить максимальное значение нормированного расстояния между ультразвуковым преобразователем и мишенью заданного радиуса b. Влияние поглощения и акустического течения рассматривается отдельно.

В порядке предосторожности в соответствии с 5.3 b никогда не должно быть меньшим 1,5а, даже если это допускает равенство (А.1).

Строго говоря, приведенные выше равенства применяют для поглощающей мишени, но их также можно использовать, чтобы определить, подходит ли отражающая мишень для измерений в случае расходящегося пучка.

В случае с выпуклым коническим рефлектором с полууглом 45° существует предельное значение ka для преобразователя, ниже которого требования к приведенным выше формулам не могут быть выполнены, независимо от размера отражателя, даже если вершина конуса отражателя настолько близка к преобразователю, насколько это возможно, т.е. касается его поверхности. Это предельное значение составляет ka = 17,4.

А.5.4 Весы или система для измерения силы

Тип требуемых весов существенно зависит от максимального значения измеряемой ультразвуковой мощности:

- значение мощности 10 мВт эквивалентно радиационной силе 6,7 мкН (в воде для поглощающей мишени), что соответствует массе 0,68 мг;

- значение мощности 10 Вт соответствует радиационной силе 6,7 мН, эквивалентной массе 0,68 г.

В первом случае наиболее подходящим инструментом будут электронные самокомпенсирующие микровесы, в последнем случае могут быть использованы обычные электронные или механические лабораторные весы [15]. И в том, и в другом случае необходима компенсация смещения мишени относительно первоначального состояния.

Если устройство для измерения уравновешивающей силы градуируют посредством малых грузиков известной массы, иначе говоря, если показания этого устройства приведены в единицах массы, то результат измерения в единицах массы умножают на ускорение свободного падения g для его преобразования в значение силы. Если результаты измерений приведены в миллиграммах (или в граммах), умножение на g определяет значение силы в микроньютонах (или в миллиньютонах соответственно). При преобразовании силы в ультразвуковую мощность в соответствии с формулой, приведенной в приложении В, используют величину скорости звука в метрах на секунду, например, с = 1491 для чистой воды при 23 °С, что определяет значение мощности в микроваттах (или в милливаттах соответственно).

Примечание - Численное значение g зависит от места расположения весов. Это следует учитывать в каждом конкретном случае. Например, для Центральной Европы g = 9,81 , но и это значение будет зависеть от высоты над уровнем моря.

А.5.5 Сосуд (бак) измерительного устройства

Необходимо гарантировать следующее:

- ни мишень, ни какие-то другие части измерительного устройства не являются источником нежелательных отражений ультразвукового излучения;

- отраженные сигналы не направлены на ультразвуковой преобразователь и не воздействуют на него.

В противном случае измеряемая мощность не будет равной значению, соответствующему условиям свободного поля.

При использовании отражающей мишени оказываются критичными отражения от стенок бака. Их влияние на измеряемую мощность зависит от геометрии бака. Если в поперечном сечении бак цилиндрический, все отражения могут вернуться на мишень и, отразившись от нее, на преобразователь. Именно этим обосновано требование 5.5, чтобы энергия сигналов, отраженных от стенок бака, покрытых звукопоглощающим материалом, не превышала 1 % энергии, излучаемой ультразвуковым преобразователем.

В том случае, когда измерительный бак установлен непосредственно на чашу весов (см. схему на рисунке F.4 в приложении F), следует обеспечить, чтобы бак располагался точно по центру чаши.

А.5.6 Система подвески мишени

Если мишень подвешена на проволочках, пронизывающих поверхность жидкости, то их диаметр должен быть, по возможности, малым, чтобы снизить погрешности измерений, которые могут быть вызваны неполной смачиваемостью проволочек или частичками пыли. Использование проволочек малого диаметра наиболее важно в случае, когда ультразвуковой преобразователь установлен над мишенью (излучение вниз), как это показано на рисунке F.5 в приложении F.

Примечания

1 Наиболее подходящей в этом случае является платино-иридиевая проволока диаметром от 60 до 80 мкм.

2 Влияние проволочек подвески может быть проверено градуировкой системы с помощью грузиков известной массы и мишени, подвешенной в воде в соответствии с 7.2 и приложением А, А.7.2.

3 При использовании установки, показанной на рисунке F.4 приложения F, следует выполнить специальные указания, связанные с тем, что внешняя поверхность преобразователя будет влиять на силу поверхностного натяжения воды. Для стабилизации уровня воды рекомендуется сделать небольшую временную выдержку перед тем, как начать измерения.

А.5.7 Установка преобразователя

Дополнительная информация отсутствует.

А.5.8 Пленки, защищающие от влияния течений

Обычно рассматривают два типа течений: тепловую конвекцию, которая существенна в случае применения ультразвукового преобразователя, нагревающегося при работе, и акустическое течение, связанное с ультразвуковым затуханием, наблюдающимся в первую очередь в высокочастотном диапазоне.

Если поглощение энергии вдоль траектории распространения звука значительно (из-за длинного пути распространения и/или высокой частоты излучения), то может проявиться акустическое течение [16]. Его эффект может быть компенсирован (а) введением поправок в результаты измерения радиационной силы, (b) использованием пленки, защищающей мишень от воздействия этого течения, или (с) изменением расстояния до мишени и экстраполяцией результатов измерения радиационной силы к нулевому расстоянию.

Используемая пленка должна быть, по возможности, тонкой, чтобы оптимизировать характеристики ее пропускания. Этот аспект является доминирующим на высоких частотах.

А.5.9 Акустическая связь с преобразователем

При точных измерениях, чтобы избежать влияния импеданса промежуточного слоя (пленки), ультразвуковой преобразователь должен быть непосредственно связан с измерительной жидкостью. Это особенно важно для очень чувствительных высокоточных систем уравновешивания, в которых ультразвуковой пучок направлен вертикально вверх [17], [18] (см. приложение F, рисунок F.1). Устранение влияния импеданса добавочной пленки особенно важно для измерений высокодобротных ультразвуковых преобразователей.

Подробные схемы устройств с согласующей мембраной для подобных измерений представлены в [19]. Устройства с согласующей мембраной будут хорошо работать при измерениях поля широкополосных ультразвуковых преобразователей, если "антипотоковая" пленка установлена в соответствии с 5.8 и если потери в ней на прохождение звука определены предварительно.

А.5.10 Калибровка

Дополнительная информация отсутствует.

А.6 Требования к условиям измерений

А.6.1 Боковое смещение мишени

Для отражающей мишени выпуклого типа необходимо обратить внимание на то, чтобы мишень не смещалась от центра под воздействием ультразвукового пучка. Мишень может перемещаться в область более низкой интенсивности, и угол падения звукового пучка на мишень может изменяться.

Этот эффект зависит, главным образом, от значения излучаемой мощности, пространственного распределения интенсивности в пучке и типа подвески мишени.

А.6.2 Дистанция от преобразователя до мишени

Расстояние между поверхностью ультразвукового преобразователя и мишенью или пленкой (если она используется) и мишенью должно быть, по возможности, малым, чтобы поглощение ультразвука вдоль звукового пути не вызывало акустических течений.

Поглощающая мишень всегда может быть установлена достаточно близко к ультразвуковому преобразователю, что снимает проблемы, связанные с расхождением ультразвукового пучка.

Для отражающей мишени вогнутого типа важно предотвратить воздействие отраженной волны на ультразвуковой преобразователь. Поэтому мишень этого типа должна быть установлена на расстоянии, обеспечивающем исключение такого взаимодействия [20]. Минимальное расстояние зависит от конкретной ситуации и должно быть определено в каждом случае индивидуально.

С другой стороны, вершина отражающей мишени выпуклого типа может быть расположена фактически в контакте с поверхностью ультразвукового преобразователя, но это не означает, что мишень закрывает все полупространство, в которое излучает ультразвуковой преобразователь. Даже если (в случае расходящегося пучка) почти все поле попадает в выпуклый конус, то углы падения некоторых частей поля будут отличаться от тех, которые подразумеваются в формуле для плоской волны, что может привести к снижению действующей радиационной силы. Если есть какое-то подозрение, что поле ультразвукового преобразователя может быть недостаточно коллимированным (это может быть в первую очередь при малых значениях ka, т.е. на низких частотах, и/или при малом диаметре ультразвукового преобразователя), то расстояние между ультразвуковым преобразователем и мишенью рекомендуется изменять и делать повторные измерения. Некоторое снижение радиационной силы с увеличением расстояния, большее, чем определяемое ультразвуковым поглощением, показывает, что размер или тип мишени выбран неудачно.

Если для измерений высокой мощности используют поглощающую мишень, то расстояние между преобразователем и мишенью не должно быть меньше 8 мм. Поглощаемый ультразвук будет нагревать поглощающий материал. На малых расстояниях из-за прямой передачи тепла от поглотителя могут измениться характеристики преобразователя.

А.6.3 Вода

Для предотвращения кавитации при измерении выходной мощности выше 1 Вт используют только дегазированную воду. При низких уровнях выходной мощности дегазированная вода предпочтительна для точных измерений, однако во многих случаях, если предпринять меры, чтобы на поверхностях ультразвукового преобразователя и мишени отсутствовали пузырьки воздуха, можно применять дистиллированную воду без ее дополнительной дегазации.

Примечания

1 Со временем увеличивается количество растворенного в воде кислорода (см. приложение D). Скорость этого увеличения зависит от размеров бака и от перемешивания воды.

2 Использование добавок для предотвращения кавитации описано в приложении D, D.4.

3 Если используемая вода насыщена воздухом, то в процессе измерений при нагреве воды в ней будут образовываться пузырьки воздуха. Причиной этого является снижение растворимости газа при повышении температуры воды.

А.6.4 Контакт с водой

Полное смачивание (контакт с водой) поверхности ультразвукового преобразователя, мишени и пленки (если она применяется) достигается выдержкой этих частей в дегазированной воде в течение, по меньшей мере, нескольких часов перед началом измерений.

Примечание - Дегазация поглощающей мишени вместе с водой предотвращает возможные проблемы со смачиванием поглощающего материала.

А.6.5 Окружающие условия

Измерительный сосуд (бак) рекомендуется закрывать сверху, чтобы предотвратить тепловые конвекционные потоки в измерительной жидкости, вызванные эффектами охлаждения из-за испарения на поверхности жидкости.

Если используют измерительную установку, представленную в приложении F на рисунке F.4, закрыть измерительный сосуд может оказаться затруднительным или вовсе невозможным и тогда необходимо вводить поправки в показания весов на дрейф, вызванный испарением с поверхности воды.

Следует измерять температуру жидкости (воды) в баке, так как значение скорости звука в воде, необходимое для вычисления измеренной мощности, зависит от температуры (см. также приложение А, А.7.10).

Примечание - Влияние внешних вибраций и воздушных потоков можно заметить по показаниям весов.

А.6.6 Тепловой дрейф

Его можно наблюдать и при применении отражающих мишеней, хотя и в меньшей степени.

Примечание - Влияние изменения плавучести мишени значительно снижается в системах, показанных на рисунке F.4 приложения F, но даже и в этом случае рекомендуется записывать показания весов как функцию времени.

А.7 Погрешность измерений

А.7.1 Общие положения

Дополнительная информация отсутствует.

А.7.2 Система уравновешивания с подвеской мишени

Это требование обеспечивает автоматический учет влияния проволочек подвеса, пересекающих водную поверхность.

А.7.3 Линейность и разрешающая способность системы уравновешивания

Дополнительная информация отсутствует.

А.7.4 Экстраполяция к моменту включения ультразвукового преобразователя

Дополнительная информация отсутствует.

А.7.5 Несовершенства мишени

Строго говоря, для оценки влияния несовершенства мишени на точность измерения радиационной силы требуется знать кинетическую энергию всех нежелательных волн, распространяющихся от мишени во всех направлениях. На практике считается достаточным описываемое ниже упрощенное приближение (модель) распространения плоской волны. При этом предположении акустическое радиационное давление равно плотности полной акустической энергии. Волна, пропускаемая поглощающей мишенью (как, например, в устройстве, приведенном на рисунке F.1a, приложение F) в прямом направлении, приводит к уменьшению радиационной силы, определяемой плотностью проходящей энергии, т.е. энергии, существующей позади мишени. Величину этого эффекта можно определить, если рассматривать мишень как препятствие и измерять радиационную силу с помощью дополнительной мишени, расположенной непосредственно за первой. Следует заметить, что отражение волны, прошедшей через мишень, от поверхности воды в устройстве, показанном на рисунке 1, удвоит уменьшение измеряемой радиационной силы.

Отраженная или рассеянная в обратном направлении поглощающей мишенью волна приводит к завышению измеряемого значения радиационной силы, что определяется плотностью отраженной энергии. Для плоской поглощающей мишени этот эффект может быть оценен сравнением отраженного от нее импульсного сигнала с сигналом от идеального отражателя. Однако для мишени со сложной поверхностью это измерение определяет только пространственно коррелированную составляющую, а не суммарную отраженную энергию. В этом случае отраженная энергия может быть оценена сканированием гидрофоном и интегрированием квадратов измеренного давления в поле отражений (см. МЭК 62127-2). В альтернативном варианте для получения верхнего предельного значения отражений могла бы быть использована другая информация о свойствах поглотителя (полученная, например, как отражательная способность эквивалентного плоского образца). Измеряемая мощность может увеличиваться и при воздействии отражений от мишени на ультразвуковой преобразователь, что изменяет его выходные характеристики [8]. Эффект этой интерференции может быть минимизирован слабым наклоном мишени или использованием лучшей мишени. Если интерференция имеет место, то это приводит к периодическим изменениям радиационной силы, что может наблюдаться при изменении частоты или расстояния между преобразователем и мишенью [8]. Погрешность, вызванная какими-то остаточными эффектами интерференции, может быть оценена по амплитуде этих отклонений.

Предыдущие рассуждения о проходящей волне и ее влиянии верны и для отражающих мишеней. Однако отраженные волны могут приходить как от мишени, так и от боковых поглотителей (см. приложение F, рисунки F.1b, F.2 и F.6), что должно быть исследовано более внимательно.

В общем случае большинство реальных оценок точности будут получены сравнительными измерениями с мишенями различных типов. Акустические свойства мишеней существенно изменяются с частотой, и поэтому оценка погрешности должна быть сделана на каждой заданной частоте. Это особенно важно для частот ниже 2 МГц, на которых трудно получить совершенную мишень.

В целях уменьшения влияния когерентных отражений рекомендуется проводить по два измерения с усреднением их результатов на расстояниях, отличающихся на 1/4 , где - длина акустической волны.

А.7.6 Геометрия отражающей мишени

Угол конической отражающей мишени влияет на результат измерения (см. приложение В, В.2). Если полуугол конуса в отражателе выпуклого типа с номинальным значением 45° лежит в пределах 45   1 , то погрешность измерения мощности составляет  3,5 %. Если полуугол конуса вогнутого отражателя с номинальным значением 63° (что означает  = 27° для записей в приложении В, В.2) лежит в пределах 63° 1°, то суммарная погрешность измерений мощности составляет  1,8 %.

Примечание - В приложении Е приведена дополнительная информация о влиянии размера мишени на результат в случае расходящегося звукового пучка.

А.7.7 Боковые поглотители для измерений с отражающей мишенью

Несовершенства боковых поглотителей в устройствах, приведенных на рисунках F.1b, F.2, F.5b и F.6 приложения F, увеличивают интенсивность отраженных волн, возвращающихся на мишень, что приводит к увеличению измеренного значения радиационной силы. Кроме того что плотность отраженной энергии существенна и в некогерентных условиях, здесь также могут иметь место эффекты интерференции (см. А.7.5).

А.7.8 Плохая ориентация мишени

Здесь рассмотрена ситуация, когда ультразвуковой преобразователь и устройство измерения силы коллинеарны друг другу, но угловая ориентация мишени неправильна.

В то время как радиационная сила, действующая на идеальную поглощающую мишень, рассчитанная по формуле (В.1) приложения В, нечувствительна к наклону мишени, то в случае отражающей мишени измерения зависят от правильности ее ориентации. Например, угловая погрешность в  1° для плоского отражателя с углом в 45° приводит к погрешности измерения мощности, равной  3,5 %. Влияние разориентации для конической отражающей мишени нельзя дать универсальной формулой, но в общем случае оно будет существенно меньшим, чем для плоской мишени, в частности, если мишень расположена по оси пучка. Что касается 45°-ной конической отражающей мишени, центрированной в цилиндрически симметричном пучке, то ее чувствительность к угловой разориентации снижается еще больше.

Преимущество вогнутой конической отражающей мишени в том, что в зависимости от типа подвеса она будет самоцентрироваться симметрично ультразвуковому пучку.

А.7.9 Плохая ориентация ультразвукового преобразователя

Здесь рассмотрена ситуация, когда мишень и устройство измерения силы коллинеарны друг другу, но ультразвуковой преобразователь установлен или ориентирован неправильно.

Для идеальной поглощающей мишени значительных размеров радиационная сила пропорциональна косинусу угла разориентации. Для 45°-ной выпуклой конической отражающей мишени максимальная погрешность, вызванная разориентацией, может ожидаться равной  3 %, если максимальные ошибки установки и угловой ориентации оцениваются  3 мм и  3°, что представляется реалистичным при регулировке на глаз.

Если при повторных измерениях ультразвуковой преобразователь извлекается из устройства между измерениями, то неточная установка и ориентация преобразователя войдут в оценку случайной погрешности измерения. Но может иметь место и некоторая систематическая составляющая, связанная с этими причинами.

А.7.10 Температура воды

Из-за температурной зависимости скорости звука в воде [22] погрешность измерения температуры  1 °С приводит к неопределенности измерения мощности  0,2 %.

Может наблюдаться значительное повышение температуры при проведении измерений мощности свыше 1 Вт. Следует быть внимательным и принимать в расчет действительное повышение температуры.

А.7.11 Затухание ультразвука и акустическое течение

Значение мощности, вычисленное по результатам измерений радиационной силы, относится к положению мишени на определенном осевом расстоянии от ультразвукового преобразователя. Однако часто интересуются излучаемой мощностью, приведенной к поверхности ультразвукового преобразователя. Ниже обсуждается возникающая при этом дополнительная погрешность.

Это обсуждение, в основном, рассчитано на измерительные системы, представленные на рисунках F.1, F.2, F.3, F.5, F.6 и F.7 приложения F. Для системы измерений, приведенной на рисунке F.4 приложения F, эти эффекты кажутся менее значимыми, но там, где эти эффекты были рассмотрены, их происхождение неизвестно. Для такой системы приемлема иная методика введения поправок по сравнению с той, которая изложена ниже.

Существуют две базовые модели для расчета разницы между отмеченными выше значениями мощности. Первая из них учитывает только влияние затухания ультразвука. В этом случае делают поправку в виде экспоненциального коэффициента (см. В.3.2 приложения В). Вторая включает эффекты акустического течения вдоль пути свободного распространения к фронтальной стороне мишени. Для поглощающей мишени при известных идеальных условиях по теореме Боргниса [23] эффекты затухания и акустического течения компенсируют друг друга, а значит, и не нужно вводить поправку. Поведение реальных мишеней (как поглощающих, так и отражающих) лежит где-то между этими двумя базовыми моделями [16]. Поэтому рекомендуется рассматривать размах погрешностей, равный разнице между некоррелированным значением измеренной мощности и ее значением, учитывающим затухание [23]. Этот вклад в погрешность зависит от расстояния до мишени и доминирует, когда измерения проводят в диапазоне высоких мегагерцевых частот.

Альтернативный метод оценки заключается в измерении мощности как функции расстояния до мишени и экстраполяции результатов к нулевой дистанции посредством алгоритма регрессии, базирующегося на линейном или экспоненциальном законе зависимости от расстояния. Измеренные значения не будут точно соответствовать этой зависимости, т.е. будет наблюдаться некоторый экспериментальный разброс, и тогда для получения оценки погрешности результата экстраполяции используют стандартные математические процедуры.

Для мишени с неплоской поверхностью трудно определить эффективное расстояние до нее. Здесь полезно вспомнить, что средняя высота конуса или пирамиды равна 1/3 высоты при отсчете от основания или 2/3 при отсчете от вершины. Это правило можно применять, когда используют отражающие мишени конической формы или поглощающие мишени с клиньями пирамидообразной формы. Для воображаемого идеального цилиндрического пучка, падающего на выпуклую коническую мишень, эффективное расстояние до мишени равно (2а/3) tg , где а - радиус пучка, а - полуугол конуса.

А.7.12 Свойства пленки

Дополнительная информация отсутствует.

А.7.13 Конечность размера мишени

Приведенная в А.5.3 приложения А формула для минимального размера мишени базируется на 2 %-ном критерии. Если действительная ширина мишени более чем на 50 % больше, чем определенное по А.5.3 значение, то имеет смысл оценить ее вклад в погрешность только как 1 % или даже меньше [14]. Рекомендуется, однако, проверить зависимость радиационной силы от расстояния до мишени в соответствии с А.6.2, приняв в расчет затухание и акустическое течение (см. 7.11).

Строго говоря, приведенные формулы справедливы для поглощающей мишени. Приведенные в А.5.3 приложения А и в приложении Е ограничения применимы для выпуклых конических мишеней.

А.7.14 Плосковолновое приближение

Если поле имеет сходящуюся или расходящуюся структуру, то применение формул из раздела В.2 приложения В для плоской волны не совсем корректно. Теоретические оценки границ погрешностей, вызванных применением этих формул для фокусируемых полей для поглощающей мишени, приведены в В.4.2 и разделе В.5 приложения В (см. [25]). Теоретические оценки границ погрешностей, вызванных применением этих формул для расходящихся полей для поглощающей мишени, приведены в разделе Е.1 приложения Е. Обсуждение ситуации с расходящимися полями для выпуклой конической отражающей мишени приведено в разделе Е.2 приложения Е.

А.7.15 Влияние окружающих условий

Случайные погрешности, вызванные окружающими вибрациями, воздушными течениями и изменением температуры, оценивают, по меньшей мере, троекратным повторением измерений, предпочтительно в разные дни.

А.7.16 Измерение напряжения возбуждения

В общем случае погрешность измерения напряжения возбуждения ультразвукового преобразователя не влияет на погрешность измерения выходной мощности. Если, однако, выходную мощность одного и того же ультразвукового преобразователя измеряют в различных лабораториях (например, в целях сличения), то должны быть учтены возможные различия в амплитуде напряжения возбуждения. Так как выходная мощность пропорциональна квадрату приложенного напряжения, и в таких случаях обычно пользуются значением излучающей способности G, то погрешность измерения напряжения удваивается при ее включении в суммарную погрешность для G.

Примечания

1 Когда речь идет о напряжении возбуждения, важно, чтобы оно было измерено непосредственно на входе ультразвукового преобразователя.

2 Рекомендуется, чтобы напряжение возбуждения измеряли и записывали в процессе каждого измерения выходной мощности, чтобы затем определить значение напряжения для каждого требуемого уровня выходной мощности или для вычисления излучающей способности. Эти данные используют и для выявления нестабильностей различного рода.

А.7.17 Температура ультразвукового преобразователя

Изменение выходной мощности при изменении температуры ультразвукового преобразователя может иметь значение, если проводят сравнительные измерения в различное время и в различных местах. Иногда это изменение может быть очень значительным (например, 5 % на 1 °С), в частности, для многослойных, согласованных по импедансу ультразвуковых преобразователей. Изменение температуры может быть вызвано изменением окружающих условий или рассеянием тепла в самом ультразвуковом преобразователе.

Повышение температуры преобразователя может вызывать также тепловые конвекционные потоки, которые могут изменять показания весов.

Эти эффекты могут быть оценены исследованием радиационной силы в зависимости от времени непрерывной работы ультразвукового преобразователя.

А.7.18 Нелинейность

a) Линейность системы уравновешивания, включая подвеску мишени, проверяют при ее градуировке посредством нескольких грузиков различной массы или измерениями с помощью заведомо линейного ультразвукового преобразователя (см. 7.2) мишенью, расположенной ближе, чем 10 мм от него;

b) в соответствии с 6.3 и 6.4 используют дегазированную воду без каких бы то ни было воздушных пузырьков. Если они все же присутствуют или имеется кавитация в ультразвуковом поле, то измерения мощности могут быть существенно неверны. Какой-то общей оценки этих источников погрешности дать нельзя.

c) затухание ультразвука и акустическое течение могут сопровождаться нелинейностями. Если расстояние между ультразвуковым преобразователем и мишенью или наименьшее расстояние до мишени (в экспериментах с изменением расстояния) меньше 10 мм, то следует руководствоваться А.7.11. Если расстояние между ультразвуковым преобразователем и мишенью или наименьшее расстояние до мишени (в экспериментах с изменением расстояния) 10 мм или больше, то вероятны дополнительные погрешности, связанные с нелинейностями, но этому нельзя дать общей оценки.

Может показаться, что этот эффект можно проверить с помощью линейного образцового ультразвукового преобразователя с известной выходной мощностью. Следует заметить, однако, что нелинейные явления при затухании ультразвука и акустическом течении могут зависеть от волновой формы и от величины пика давления, и тогда результаты испытаний, полученные с линейным образцовым ультразвуковым преобразователем, волновая форма выходного сигнала которого отличается от той, которая воспроизводится измеряемым преобразователем, не будут полностью убедительны;

d) кроме эффектов, рассмотренных в перечислениях а), b) и с), теоретическое соотношение для радиационной силы само по себе может быть нелинейным и отличаться от формул, данных в разделах В.2 и В.5 приложения В, где установлены линейные соотношения между мощностью и силой. Тем не менее, в диапазоне выходных мощностей, производимых существующим в настоящее время диагностическим и терапевтическим ультразвуковым оборудованием, акустическую радиационную силу рассматривают как линейную функцию по отношению к выходной мощности. Нелинейные отклонения от формул, данных в разделах В.2 и В.5 приложения В, рассматривают как пренебрежимо малые по сравнению с другими источниками погрешности [28].

А.7.19 Другие источники

Рекомендуется периодически проверять, не содержит ли суммарная погрешность, определенная с использованием приведенных выше рекомендаций, других источников случайных погрешностей. Этого достигают путем разборки и повторной сборки измерительного оборудования и повторения не менее трех измерений.

Если требования разделов 5 и 6 для преобразователей с ka  30 выполнены, то достижимо значение суммарной неопределенности измерений 10 % в частотном диапазоне от 1 до 10 МГц [26], [29] - [32], 20 % вне этого диапазона и до 20 МГц и 30 % выше 20 МГц. Для преобразователей, у которых 10 < ka < 30, достижимо значение суммарной точности измерений 20 % на частотах, близких к 1 МГц.

Анализ погрешностей для конкретных систем приведен в [24], [26], [30], [33]. Если возможно использование калиброванных эталонных ультразвуковых преобразователей, то с ними рекомендуется проводить контрольные измерения [30], [31], [34].