PA-0.4毫米共面膜式水听器(UT1604)

 

产品简介

0.4毫米共面膜式水听器是Precision Acoustics公司生产的膜式水听器系列产品之一。该公司把0.4毫米共面膜式水听器设计成与专用电源一起使用的水听器系统。在本数据表中，凡提及到产品的特性，都是指包含0.4毫米共面膜式水听器和专用电源的水听器系统的特性。

 

水听器元器件的大小会影响到包括灵敏度、频率响应、定向响应、动态范围和噪音的特性，本数据表根据IEC 62127 -part 3 [3]编写，提供了0.4毫米共面膜式水听器的详细规格。

 

0.4毫米共面膜式水听器是为提供高灵敏度和广泛频率响应而设计的黄金级测量设备，它适用于包括超声诊断在内的从1.0MHz到40MHz的各种应用。

 

 

产品说明

0.4毫米共面膜式水听器是在1MHz至40MHz范围内的测量中具有出色的灵敏度、频率响应、定向响应、动态范围和噪声等效压力的黄金级测量设备。0.4毫米的活动区域能在提供足够的灵敏度的情况下测量的信号约等于14kPa。如果需要更高灵敏度的系统，UT1604可以提供一个可选的和可切换x1或x5增益的信号放大器（图1）。

 

 

规格

型号	UT1604
传感器元件尺寸	直径：0.4mm
	厚度：16µm
水听器尺寸	见图2
水听器重量	65g（无前置放大器）
转换方式	压电转换
传感器材料	聚偏二氟乙烯(PVDF)
2MHz-20MHz范围内的平均灵敏度	35 mV/MPa（以下是附加数据）
各传感器之间的灵敏度变化	± 3 dB
水听器频段	0.1 MHz 至40 MHz
测量不确定度	0.1 MHz 至 1 MHz: 8%
	1 MHz 至 8 MHz: 9%
	9 MHz 至 20 MHz: 11%
	21 MHz 至 30 MHz: 12%
	31 MHz 至 40 MHz: 15%
水听器系统的输出阻抗	50 Ω
使用时的方向	膜表面与声源的声轴正交（见图4）

 

 

尺寸

灵敏度和频率响应

所有水听器的频率响应随着频率的变化而变化。频率响应的理论基础已在世界各地得到很好的诠释和叙述[1][2]。图3表示当负载为50 Ω水听器的电缆末端负载灵敏度，图3还表示了膜式水听器在1MHz到40MHz频率范围内的频率响应。这些数据来源于英国国家物理实验室（NPL）。

用于对声压测量的膜式水听器应至少每12个月校准一次。应每月对照基准检查水听器，以便能比年度的校准间隔更早发现灵敏度的变化情况。

 

频率响应的测量不确定度是按照[3]中的测量方法决定的。测量不确定度使用的参考水听器的校准标准，达到了国家标准。

 

 定向响应

膜式水听器在先前已被证明[4]在低频率和大角度下有较大的旁瓣并具有定向响应。与通常的探针式水听器的形式不同，这归因于膜上存在的兰姆波。

 

水听器的定向响应是在相同非线性域中确定的。把水听器放置在一个精确位置的安装夹具中。然后校正水听器，使其在域内旋转时记录的波形的时间偏移小于100 纳秒。校正确保了水听器在旋转过程中不会产生位移，因此确保了接收信号的任何变化都只是由于水听器的定向响应而形成的，通过记录水听器产生的波形，可以确定一系列频率下的定向响应。0.4毫米共面膜式水听器在1MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz、25MHz、30MHz和40MHz的定向响应见图5。

有效半径

根据[5]中描述的方法，水听器的有效半径是根据定向响应曲线的-3dB和-6dB计算出来的，平均有效半径见图6。但是，由于IEC方法是基于理论的模型，没有考虑到兰姆波的传播，且当频率低于5MHz时，定向响应没有保持在-6dB

水平以上，所以0.4毫米共面膜式水听器在对较低频率进行测量时失败。

 

动态范围、线性和电磁干扰

 

动态下限

水听器组件自身的噪声会影响到对微小声音信号的测量。在100MHz的等效噪声带宽上，前置放大器的噪声大约为60 µV rms。假定水听器的灵敏度为340mV/MPa，噪声导致0.4毫米共面膜式水听器的噪声等效压力为：

用于记录水听器产生的波形的数据采集系统也会影响可记录的微小声音信号。例如，限制最大分辨率为0.5 mV的示波器能显示的振幅信号为0.5mV / 35mV /MPa = 14 kPa或者更高。

动态上限

关于水听器发生机械损坏时的压力阈值：该水听器设计用于达10MPa的域。然而这种类型的水听器已被用于超过50MPa的超声波域，所以增加了水听器损坏的风险。当水听器要用于压力超过10MPa的域时，应征求供应商的建议。

 

关于前置放大器的饱和压力：当输出电压超过700mV的峰值时，与该水听器一起使用的前置放大器开始表现出非线性特征。考虑到0.4毫米共面膜式水听器的灵敏度，对应的压力为：

电功率输出特征

 

尚未确定的水听器，所以没有代表性的数据。

 

 

环境方面

 

温度变化

该膜式水听器可用于在5 °C至50 °C的工作温度范围内的环境测量和储存。若暴露在60 °C以上的温度环境下，有可能对水听器造成不可逆的损害。

 

此水听器已在19°C和25°C之间的温度下进行校准。水听器灵敏度呈温度函数的变化，温度每升高一度，灵敏度应增加0.4%。

 

水质

水听器组件设计为可完全浸入水中，可以轻易承受2米深的水形成的的静水压力。虽然水听器组件可长时间（>48小时）浸泡，但是不使用时，应将水听器从水中抽出，使其保持干燥状态。

 

0.4毫米共面膜式水听器需要在去离子水中使用。如果将水听器用于电导率超过

5μS/cm的水中，通过水的电容量效应，波形可能会发生变化；这在压力波形的峰值负偏移上尤为明显。此外，水听器测量标准可能对水质有具体要求，如

[6] [7]。

 

长期浸泡在未经去离子的水中（如自来水）会导致水听器产生沉积物堆积。碳酸钙沉积是硬水地区具有的特殊问题，将会导致水听器的灵敏度下降。

 

 

其他液体介质

虽然是设计为在水中操作，但水听器组件也可以在许多其他液体介质中使用。但需要注意的是，水听器的校准需在水中进行。其他材料在水听器活性元件上会呈现出不同的声阻抗负荷，这可能会影响水听器的灵敏度。某些液体具有腐蚀性，应该避免使用。例如：

 

浓酸（如硝酸、硫酸）。

浓缩的碱性物质（如氢氧化钠）。

强烈的有机溶剂（如醛类、酮类、二甲基氯化物（DMC）、二甲基甲酰胺（DMF））。

 

水听器组件接触液体的材料为金、不锈钢、聚四氟乙烯（PTFE）、黄铜和前置放大器电缆的聚氯乙烯（PVC）覆层。