常见超声功率计的原理及应用

　　随着超声诊断治疗设备的不断涌现，其输出功率水平允许的辐射剂量在不断增加，潜在的危险也在增加，为达到安全使用的目的，必须有规律地按期检测医院使用的超声设备的输出功率。为此，国家专门制定颁布了相应的国家标准和计量检定规程。

    超声功率计是检定A型、B型、M型及各类医用超声源的主标准器，是计量部门、生产厂家和医疗部门用于测量、校验超声诊断设备或其他超声源输出的平均超声功率的主要计量仪器。

　　一、超声功率的测量原理

　　目前，超声功率的测量方法主要包括辐射压力法、电学法、光衍射法和量热法等。在超声功率测量中，辐射压力法可以不考虑超声波近场与远场的限制，能直接测得总超声辐射功率值，因此，应用最为广泛。

　　其原理如下：在小振幅平面超声场中，两种媒质交界面上的辐射压力，其值等于交界面两侧媒质声能密度的差值，该辐射压力可以用一个置于超声场中的靶来测得，超声换能器的总辐射功率可以由作用在全反射靶上的辐射压力求得，即

　　式中：W———总声功率，W;F———沿超声波轴线方向作用于靶上的力，N;c———超声在液体中的传播速度，m/s;φ———靶面法线与入射声束之间的夹角，°。

　　二、常见超声功率计

　　据统计，目前全国计量检定部门使用的超声功率计绝大多数是基于辐射压力原理制作的。

　　1.磁电式力平衡机构抵消声辐射力法

　　基于此原理的装置是采用磁电式力平衡机构来抵消声辐射压力。代表产品为廊坊市计量测试研究所生产的BCZ100-1型超声功率计。其工作原理如下：由式(1)可以推导出式(2)：

　　超声束作用于全反射靶上的辐射力F产生的力矩为

　　Mf=F·L

　　式中：L———全反射靶中心至转轴间的力臂长度。磁电式力平衡机构中流过动圈绕组的电流I与动圈所在的恒定磁场相互作用产生的转动力矩为

　　Mi=K·I

　　式中：K———电磁的转矩系数。当采用抵偿测量法，且全反射靶在零位平衡时，超声辐射压力产生的力矩等于动圈绕组的电流在恒定磁场中产生的力矩Mf=Mi，即F·L=K·I，由此可得式(3)：

　　由式(4)可见，当超声束入射角φ不变时，磁电式力平衡机构动圈绕组中的电流I与超声功率W成正比关系。因此，根据电流I的大小可测量出超声声功率值。

　　B CZ100-1型便携式毫瓦级超声功率计的量程为(1～100)mW，测量不确定度为±10%，分辨力为±0.1mW，测量频率范围为(0.5～10)MHz。该仪器已经广泛应用于超声诊断设备的计量检定工作中。其主要优点如下：