原理：當(dāng)壓電材料上的壓力(聲擾動(dòng))發(fā)生變化時(shí)，壓電材料內(nèi)部的電荷分布就會(huì)
成比例地發(fā)生變化并且會(huì)以電壓信號(hào)的形式體現(xiàn)出來(lái)，因此可通過(guò)壓電元件表面上的電
極提取這些電荷，經(jīng)電壓放大器或電荷放大器放大后，由信號(hào)處理示波器顯示出能反映
聲波波形的圖像,這樣就以很直接的方法完成了超聲聲場(chǎng)中聲壓的測(cè)量。
要求：針式水聽(tīng)器由于直徑很小因而可檢測(cè)測(cè)量點(diǎn)的聲壓，實(shí)際上是針式水聽(tīng)器直
徑尺寸范圍的平均聲壓；原則上針式水聽(tīng)器的直徑越小越好，至少小于聲場(chǎng)的1 個(gè)波長(zhǎng)，
如15MHz 的聲場(chǎng)，則針式水聽(tīng)器的直徑要小于0.1mm。針式水聽(tīng)器是測(cè)量聲場(chǎng)和聲壓的
換能器（一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量工具），適合連續(xù)波和脈沖波的測(cè)量。針式水聽(tīng)器針尖上有
一層通常為幾個(gè)微米厚的PVDF 薄膜，現(xiàn)在可以做到9－28μm 的膜厚，這層薄膜就相當(dāng)
于一個(gè)高靈敏度的壓電換能器，能將接收到的聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，目前英
國(guó)PA 公司可做到40μm－4mm，在20K－35MHz 頻率范圍針式水聽(tīng)器具有平坦的測(cè)量特性。
針式水聽(tīng)器及其原理圖如下所示：
(a) 針式水聽(tīng)器外觀圖(b) 針式水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)圖
事項(xiàng)：由于水聽(tīng)器針尖的聚偏氟乙烯薄膜非常脆弱，因此使用針式水聽(tīng)器時(shí)注意不
能用手或任何其他物體碰水聽(tīng)器針尖。清洗水聽(tīng)器時(shí)，用蒸餾水輕輕沖洗，特殊情況下
可以用新鮮檸檬汁處理。
優(yōu)點(diǎn)：水聽(tīng)器體積非常小，不會(huì)對(duì)測(cè)試聲場(chǎng)造成大的干擾，同時(shí)靈敏度高，使用方
便，價(jià)格也相對(duì)便宜。
介紹：通常針式水聽(tīng)器使用時(shí)需要配以水浸式前置放大器，DC 耦合器以及水聽(tīng)器輔
助放大器。它們分別介紹如下：
前置放大器（Submersible Preamplifier）的作用是放大水聽(tīng)器接收到的聲信號(hào)。
直流耦合（DC Coupler）的作用是提供直流電壓，驅(qū)動(dòng)前置放大器；以及作為前置
放大器和測(cè)量系統(tǒng)之間的聲信號(hào)耦合器。
由于水聽(tīng)器的輸出信號(hào)一般非常微弱，因此在將其輸入采集和顯示系統(tǒng)前，通常還
需要經(jīng)過(guò)一個(gè)水聽(tīng)器輔助放大器，進(jìn)一步放大水聽(tīng)器接收到的聲信號(hào)。
使用：PVDF 針式水聽(tīng)器測(cè)試系統(tǒng)如圖所示。用示波器(或高速數(shù)據(jù)采集卡)作為信號(hào)
的顯示器和采集器，可以得到聲場(chǎng)中單點(diǎn)的聲壓波形，對(duì)于連續(xù)波無(wú)需同步信號(hào)檢測(cè)，
而對(duì)脈沖波要用同步觸發(fā)檢測(cè)。
如果將水聽(tīng)器夾持在3 維機(jī)械運(yùn)動(dòng)（如UMS3）裝置上可以重構(gòu)出換能器的3 維的聲
場(chǎng)。其中若采用掃描系統(tǒng)移動(dòng)水聽(tīng)器進(jìn)行掃描，就可以得到一個(gè)截面上的聲壓分布，再
由一個(gè)個(gè)截面聲壓構(gòu)成3 維聲場(chǎng)分布。
使用了兩個(gè)放大器來(lái)放大水聽(tīng)器的信號(hào)，浸入式前置放大器和水聽(tīng)器輔助放大器，
這是因?yàn)樗?tīng)器信號(hào)通常很微弱，需要進(jìn)行兩級(jí)放大。
3
計(jì)算：水聽(tīng)器直接輸出的信號(hào)是電壓信號(hào)，用靈敏度進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，就成為了對(duì)應(yīng)的聲壓
信號(hào)。得到電壓-時(shí)間波形后，可以計(jì)算聲強(qiáng)和聲功率?？臻g峰值脈沖平均強(qiáng)度ISPPA 的計(jì)
算公式如下所示：
? 為水的密度， 0 c 為水中的聲速，p(t)為時(shí)變的聲壓波形，T 為波形的周期，n為所
選波形的整周期數(shù)， 0 t 為*個(gè)滿幅值周期的延遲時(shí)間，t 為時(shí)間。
總結(jié)：PVDF 針式水聽(tīng)器體積非常小，不會(huì)對(duì)測(cè)試聲場(chǎng)造成大的干擾，可以測(cè)量連續(xù)波和
脈沖波聲壓，同時(shí)靈敏度高，使用方便；它的缺點(diǎn)是帶寬相對(duì)較窄，頻率響應(yīng)較平坦，
能夠測(cè)量的聲壓范圍有限。適用于測(cè)試低聲壓值的聲場(chǎng)。同時(shí)由于水聽(tīng)器體積小，移動(dòng)
方便，可以得到聲場(chǎng)的截面圖和3 維聲場(chǎng)分布，也可以應(yīng)用于多種超聲換能器的測(cè)試，
如相控陣換能器探頭等。詳細(xì)介紹可以登錄（www.yicemedical。。ｃｏｍ)
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