第1章 水听器测声场声功率-陆明珠 方莉

第1章 水听器测量超声换能器辐射声压、声功率

1.1 实验目的

1、 学习PVDF（聚偏氟乙烯）针式水听器（PVDF Needle Hydrophone）、膜式水听器（Membrane

Hydrophone）、光导纤维水听器（FOPH, Fiber Optic Probe Hydrophone）的声压测试原理和辐射力天平测量声功率的测试原理，将其用于测量超声换能器辐射声压和声功率。

2、 用PVDF针式水听器、膜式水听器HMA-0200、光导纤维水听器FOPH2000测量单阵元聚焦超

声换能器的辐射声压，掌握实验步骤和过程。 3、 比较三种水听器的优缺点和适用范围。

1.2 数学物理原理

1.2.1 PVDF针式水听器（PVDF Needle Hydrophone）[1]

水听器是把水下声压信号转换为电信号的换能器。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。

目前所采用的水听器主要有PVDF（Polyvinylidene Fluoride）针式水听器，PVDF膜式水听器以及光导纤维水听器FOPH。PVDF材料由于灵敏度高和声阻抗优在电声换能器得到广泛应用。下面首先介绍PVDF针式水听器。

顾名思义，PVDF针式水听器是针形的。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首选换能器（一级标准测量工具），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，目前换能器直径可做到40μm－1mm，在1－35MHz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) 针式水听器原理结构图

[1]

图1.1 针式水听器结构及外形

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。

1

针式水听器最大的优点是：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，价钱相对于膜式水听器和FOPH水听器来说便宜。

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：

图1.2 针式水听器前置放大器

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。

1.2.2 PVDF膜式水听器（PVDF Membrane Hydrophone）[1]

PVDF膜式水听器主要为测量脉冲波声场而设计的，所以这里注意适合宽带的脉冲声场不适合连续波，是二级标准测量工具。PVDF膜式水听器是宽频换能器可用于脉冲、谐波等非线性分析。PVDF膜式水听器的带宽为0.5-45MHz.

PVDF膜式水听器的原理与针式水听器类似，都是通过PVDF薄膜感受压力的变化，从而将声压信号转化为电压信号。但它们的构造不同。针式水听器是针尖状的，只有针尖覆盖有一层几微米厚的薄膜。而膜式水听器构造如下图所示：

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图1.3 PVDF膜式水听器外观图

膜式水听器由单层或多层、几个到十几个微米厚的PVDF薄膜张开在一个一定直径的圆形支架上，采用真空沉积技术在薄膜两侧各镀上一层金属作为传导电极，它们的重叠部分即为对声敏感的感应单元。感应单元的几何尺寸就是膜式水听器的有效孔径尺寸。膜式水听器通过感应单元来感应声压的变化，并将其转化为电压信号，而两个电极可以将电压信号传递出去。一般膜式水听器通过孔径尺寸来进行命名，如HMA-0200指的是ONDA公司生产的HMA系列孔径为0.2 mm的膜式水听器。

膜式水听器适合于测试脉冲超声场，因为此时需要换能器频带宽，且响应均匀，而膜式水听器的灵敏度在整个测试频率范围内基本上保持一致，因而能很好地重现声波的形状。它的优点有：灵敏度高、宽带宽、密封设计、内置前置放大器和孔径可选。它的一个缺点是体积大，对测试声场可能会造成干扰；因为由于响应面积大，由此导致的空间平均效应也会使得测试结果不准确。同时测试的声压幅值也不能过大，否则会损坏PVDF薄膜。

膜式水听器共有两种：无背衬式和有背衬式。第一种PVDF膜后无背衬材料，因为容易受到水的推压而发生运动或振动，造成测量错误。而有背衬式水听器由于背衬材料的存在使得其硬度大，不容易发生运动，也降低了测量误差。但是背衬材料会吸收声场能量，因而在测试高强度声场时，背衬材料也可能会由于吸收过多的能量而发生融化，从而损坏PVDF薄膜，而无背衬水听器就不会发生强烈的吸收，因而更加适用于高强度声场的测量。

1.2.3 光导纤维水听器（Fiber Optic Probe Hydrophone FOPH ）[2]

针式和模式水听器只能测量低功率声压，对于高功率的声压检测一直是个难题，因而应运而生了光导纤维水听器FOPH用于水声的高声压、高频、高精度、瞬时测试；光导纤维水听器FOPH可以用于水中换能器的声场和温度场检测。它最先是由Phillips、Staudenraus和Eisenmenger提出的。光纤水听器的主要原理是：光导纤维水听器FOPH是基于，声场的声压变化会造成光纤头和水界面处的水密度发生变化，导致该处的折射率随声压变化，因而也由此导致其界面处的光反射率变化。由一个激光器（?＝808nm）发射激光到置于水声场中的单模或多模光纤上，将该处折射率变化的调制光由光纤接收耦合到光子检测和放大器，这一检测的光电信号随时间的变化规律就反应了声场中声压随时间的变化规律。光导纤维水听器FOPH的检测系统可见图1.4。

3

图1.4 光导纤维水听器FOPH原理图

我们由以下几个关系得出光子检测放大器输出电压会和声压成线性关系[3]。首先由菲涅耳Fresnel方程可以得到在光纤垂直入射激光处的光反射率R与液体的折射率n的关系为：

R?[(nc?n)2/(nc?n)2] (1.1)

nc是光纤的折射率。

然后由Gladstone-Dale关系可得到水中折射率nw和声压p的关系：

?p?p0?nw(p)?1?(nw,0?1)?1?? (1.2)

p?Q0??其中Tail参数（Q?295.5mpa,??7.44)，静态时（p0?0.1MPa,nw,0?1.329）。

??R(p)?[(nc?nw(p))2/(nc?nw(p))2]?[(nc?nw,0))2/(nc?nw,0)2] (1.3)

最后光电检测输出与声压变化（?p?p?p0）的关系为：

?UU0??R?H??p (1.4)

(1??)R0H是常数（取平均值H0??1.95?10?3MPa?1），上式表示光电检测输出与声压变化是与声压的变化成正比，实验证明在声压（-12Mpa－＋40MPa）非线性小于5%, ?是修正系数。

相对于PVDF水听器，FOPH的突出优点有：更高的空间分辨率（光纤探头直径100μm）、带宽理论上>1GHz，放大器限制带宽100MHz、快速响应、可测高幅值正压和高幅值负压、高的抗电磁干扰能力、能测试更高幅值的声压、既使在空化条件下也能精确测量。FOPH水听器本身可做为标准测试不需要参照标准（因为折射率对给定材料的条件是确定的）；FOPH的感应尖在受到高幅值声压场产生的空化活动作用而损坏时，能够快速修复。FOPH系统适用于测试高幅值声压场（≥0.9 MPa）的测试。

常规的PVDF水听器仅可检测小的声压声场。由于采用了光学检测FOPH可测量极高的声压，是PVDF水听器的几百到千倍，声强就是几万到千万倍；从而解决了高能声场的测试难题。这使得先进的FOPH水听器可应用于高强度聚焦超声声场测试领域。 1.2.4 计算声压、声功率[4][5]

上述三种水听器直接输出的信号是电压信号，用各自的灵敏度进行转换后，就成为了对应的声压信号。各自水听器的使用说明里面都给出其对应的灵敏度。

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：

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ISPPA1?nT?t0?nTt0p2(t)dt （1.5） ?0c0其中?0为水的密度，c0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，t0为第一个满幅值周期的延迟时间，t为时间。另外空间平均脉冲平均强度ISAPA的计算公式为：

ISAPA??ISPPAdS/?dS （1.6）

SSS为积分面积，通常为焦平面上-6 dB波束面积。将ISPPA在一个包括波束的主瓣和旁瓣的大面积上进行积分，就可以得到声功率。

对于强聚焦的球面换能器，1994年Hill给出了其平均声强ISA和峰值声强的计算公式ISP，对于施加声功率W不合声压半高宽为D的声场，认为是高斯分布的则，平均声强ISA和峰值声强的计算公式ISP的计算公式为：

ISA?0.867W/D2ISP?1.56W/D2 （1.7）

1.2.5声功率的辐射力天平测量[4][5][6]

声波的动量在遇到目标（吸收或反射）时将产生力，这个力就是辐射力(Acoustic radiation force)。超声声功率的定量测量就是用辐射力天平（Radiation force balance）来检测的。

辐射力测量声功率的原理就是让被测量换能器的波束完全作用在全吸收靶或全反射靶上，然后用天平测量全吸收靶的辐射力。对于全反射靶反射到吸声腔再测量其辐射力。图1.5上图是全吸收靶辐射力天平原理结构示意，图中全吸收靶的面积要大于换能器在靶上的波束尺寸；图1.5下图中的全吸收靶一般用聚氨酯材料做成，下右图是全反射锥靶，下左图是用刷型做成的全吸收靶可测如高强度聚焦超声等大的声功率。

声功率P与测量的辐射力成如下关系：

P?cmg （1.8） c是水中声速（依赖于水温），m是质量变化，g是重力加速度；mg是辐射力天平读数。1W声

功率对应的辐射力是69毫克（mg）。所测量的是平面波的声功率。对波束和传播方向成?的声功率计算如下：

P?cmg/(2cos2?) (1.9)

辐射力天平对测量较小声功率，小于5W，可达精度小于5%；对测量高功率精度就差了，可能是由于空化的作用，测量高功率要用除气水。

由于辐射力天平是用于平面波的检测，对于强聚焦换能器需用如下公式校正：

P?1?cos??Fm?? (1.10)

c?2??其中??arcsin(D/2/Rc), D和Rc是球面换能器的直径和球面的曲率半径。

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图1.5 上图声功率的辐射力天平测试原理，下图全吸收和全反射锥靶

图1.6是实际的计算机采集控制的辐射力天平原理及系统。

图1.6 计算机采集控制的辐射力天平原理及系统

1.3 实验系统与材料

1.3.1 实验系统

1. PVDF针式水听器测试系统[4][5][6]

PVDF针式水听器测试系统如图1.7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（扫描）装置上可以重构出换能器的3维的声场。在我们实验室有两套3维运动扫描系统，其中若采用扫描系统（如Multiscan 5800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。

图1.7中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。

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图1.7 PVDF针式水听器连接图

DC耦合辅助放大器水听器示波器 水槽功率放大器信号发生器 图1.8 PVDF针式水听器测试HIFU换能器声压的系统框图

图1.8为针式水听器测试HIFU换能器声压的系统框图，图中省略了换能器的夹持装置。

2. PVDF膜式水听器测试系统

图1.9为膜式水听器的测试系统。图中也省略了用来固定膜式水听器的装置。一般模式水听器的前置放大器和膜式水听器做成一体。由于膜式水听器体积很大，移动不方便，HIFU换能器移动也不方便，所以本实验只测试HIFU换能器焦点处一点的声压，因而用示波器作为信号显示和采集装置。

放大器信号发生器功率放大器示波器水槽 图1.9 PVDF膜式水听器测试系统

3.光导纤维水听器（ FOPH）测试系统[7]

图1.10为FOPH测试系统。它的测试系统和针式水听器一样，用示波器(或高速数据采集卡)作

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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。如果将水听器夹持在3维机械运动（扫描）装置上可以重构出换能器的3维的声场。

图1.10 光导纤维水听器FOPH测试系统

图1.11 PVDF针式水听器HPM02

1.3.2 实验材料

1. PVDF针式水听器（HPM02或HPM05）

本实验所使用的PVDF针式水听器是Precision Acoustic公司生产的Needle Hydrophone，型号为HPM02或HPM05，针头直径为200 μm或500 μm。外观图如图1.11所示。

它的主要性能参数如表1-1所示：

表 1-1 针式水听器HPM02性能参数表

输出阻抗 13 pF+/- 2 pF

探头灵敏度 55 nV/Pa (相当于-265.2 dB re 1 V/uPa)

灵敏度变化范围 +/- 3 dB

(+/-2dB): 5 to 25 MHz 频率响应 (+/-4dB): 1 to 35 MHz

传感器材料 9 μm厚的PVDF

传感器尺寸 0.2 mm

2. PVDF膜式水听器HMA-0200

本实验使用的膜式水听器是由Onda公司生产的HMA-0200，即水听器的有效孔径尺寸为0.2 mm。它的频率特性和具体尺寸图如下所示。

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图1.12 PVDF膜式水听器HMA-0200的：上图频率特性，及下图安装尺寸

换能器中已嵌入有前置放大器。它的性能参数如表1-2所示：

表 1-2 PVDF膜式水听器HMA-0200性能参数表

孔径尺寸

频率响应（使用范围）

灵敏度

场干扰性

3.光导纤维水听器FOPH2000[2]

0.2 mm 0.5-45 MHz（±3 dB） 0.1?V/Pa 高

图1.13 FOPH2000外观图

本实验所使用的FOPH为RP ACOUSTIC公司生产的FOPH2000，见图1.13。FOPH 2000由主

机（大图）和光检测模块（小图）组成；主机中有激光发射和驱动模块、模式耦合及电池模块构成；光检测模块由光检测及放大器组成。

FOPH 2000可以用于聚焦超声的冲击波的正、负声压的测试，测量精度、空间分辨率高，测量快速响应和宽带性能好。

表 1-3 FOPH 2000性能参数表 空间分辨率 100 μm 9

上升时间 电气限制带宽 带宽 理论带宽 测量范围 单脉冲声压分辨率 灵敏度 方向性 准确度 温度范围

3 ns 100 MHz 150 MHz 30 GHz -60 Mpa ～ 400 MPa +/- 0.7 MPa 2 mv/MPa 全方位 +/- 5% 10 ～ 35℃ 3. 配套测试的其它设备材料

三维机械移动系统（Suruga Seiki Co. Ltd, Japan）

数据采集卡（200MHz CoumpuScope CS14100，Tektronix Gage，USA） 三维声场扫描系统（Panametrics Inc., Waltham, MA, USA）

吸声材料（RTV silicone rubber, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences），水槽和除气水

1.4 实验步骤

1.4.1 PVDF针式水听器的测试步骤

1. 在水槽内固定好HIFU换能器，将水听器置于Multiscan5800的扫描杆上；按照图1.7，1.8连接好实验设备。

2. 仔细调节换能器的位置，使其对准换能器并置于其焦点位置。

3. 为了保护水听器，HIFU换能器的输出功率不能大于2 W。实验中选择1 W。

4. 按照从强电到弱电的顺序依次打开仪器设备，调节功率放大器的输出功率为 1 W。 5. 使用示波器作为信号接收器，观察波形并采集一段信号，采样频率为100 MHz。

6. 使用Multiscan 5800的Receiver作为信号接收端，设置适当参数，执行扫描程序，得到声场一个截面的声压分布数据。

7. 实验完毕，按照从弱电到强电的顺序关闭仪器，使仪器回复原位。 1.4.2 PVDF膜式水听器的测试步骤

1. 在水槽内固定好HIFU换能器和膜式水听器，使水听器对准换能器，并使得膜式水听器的感应单元刚好处于换能器的焦点处。

2. 按照图1.9连好实验设备；为了保护膜式水听器，设置功率放大器的输出功率为较低的水平。 3. 按照从输入到输出的顺序打开实验设备，利用示波器观察接收到的信号波形并进行数据采集。 4. 实验完毕，关闭仪器，整理实验器材。 1.4.2 FOPH的测试步骤

1. 在水槽内固定好HIFU换能器和FOPH，使水听器对准换能器，并使得FOPH的光纤头刚好处于换能器的焦点处。

2. 按照图1.10连好实验设备；由于光纤水听器能测试的声压范围很大，因此可以应当调高功率放大器的输出功率。

3. 按照从输入到输出的顺序打开实验设备，利用示波器观察接收到的信号波形并进行数据采集。

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4. 实验完毕，关闭仪器，整理实验器材。

1.5 实验结果与分析

1.5.1

PVDF针式水听器的测试结果

图1.14是用PVDF针式水听器可以测试1.2MHz HIFU换能器的几个脉冲－时间波形。

图1.14 用PVDF针式水听器和FOPH2000测试1.2MHz HIFU换能器数个脉冲波形

图1.15 为利用PVDF针式水听器测试的1.2 MHz HIFU换能器（连续波）焦平面上和XOZ面的声强分布，可以看出焦点区域为1.6×1.6×8.6 mm3。

(a)

(b)

图1.15 0.5mmPVDF针式水听器声场测量1.2 MHz HIFU换能器（连续波）声场： (a)焦平面声强网格图分布 (b)XOZ

平面声强分布

图1.16是利用PVDF针式水听器测试的1.2 MHz HIFU换能器垂直声轴平面的测量结果。

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(-2) (-1) (0)

(1) (2) (3)

图 1.16 1.2 MHz HIFU换能器垂直声轴平面的测量结果；（）中为测量平面与初始测量位置的关系，初始位置近似

定在换能器的几何焦点的位置，水听器向上移动远离换能器为（+），向下移动靠近换能器为（-），单位mm

图 1.17 和 1.18 显示了利用PVDF针式水听器测试的1.1 MHz 16阵元相控阵声HIFU换能器的聚焦声场分布结果。

水听器测试结果

图 1.17 1.1 MHz 16阵元相控阵声HIFU换能器轴上焦点声强分布: 左图为理论仿真结果， 右图为用PVDF(0.5mm)

PVDF(0.5mm)水听器测试结果

图 1.18 1.1 MHz 16阵元相控阵声离轴焦点(偏离y轴2.25mm)声强分布：左图为)理论仿真结果， 右图为用

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1.5.2 PVDF膜式水听器的测试结果

图1.19为利用PVDF膜式水听器HMA-0200测试的几个脉冲声压波形图。

图1.19 PVDF膜式水听器HMA-0200测得的非线性造的波形图

1.5.3 光导纤维水听器的测试结果

图1.20为利用FOPH2000测试的声压波形图。可以测量单脉冲和连续波，用于高声压的非线性特性分析。

(a) 单脉冲声压波形

(b) 非线性造成的锯齿波形

图1.20 FOPH 2000测得的波形图

1.5.4 测试结果的分析讨论

首先，从测试时的控制条件可以看出，针式水听器能测量的声压幅值较小，因而呈现线性特性（图1.14）, 针式水听器可对脉冲和连续波测试。针式水听器虽然尺寸很小（0.1mm）, 但是它测得的是水听器直径上的平均声压，图 1.15 显示1.2 MHz HIFU换能器的焦点区域为1.6×1.6×8.6 mm3， 而理论上的焦点区域为1.1×1.1×8.0 mm3，所以每个方向的尺寸都比理论的大了一个水听器直径（0.5mm）。 这就是测量带来的误差，是可以分析的出来的，因此选择小的水听器直径，误差会减少，这是显而易见的。由于水槽是方形的所以图1.16和图1.17的焦点主峰旁的四个角对称位置有四个象旁瓣声压，而理论上是没有这样对称的旁瓣。

膜式水听器只适合脉冲小幅值的条件，由于宽带特性图1.19的非线性波形特点显现出，膜式水听器还适合谐波、次谐波等非线性特性。

FOPH能很好地反映高强度聚焦超声超声场中由于非线性造成的锯齿波波形和冲击特性。 由于其上升时间极短仅为3ns，所以对单脉冲击（图1.20）上升沿很陡的具有正、负幅度的波形能准确测试，由于宽带特性对非线性锯齿波明显显示（图1.20），对同一非线性波形针式水听器测的峰值明显低于FOPH测的结果，FOPH还反映出高频的波形（图1.21）。FOPH可以测量强声场，这是它最主

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要的任务。

图1.21 左图为用PVDF针式水听器和右图为用FOPH 2000测得的高功率声压波形对比图

1.6 总 结

1. 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膜式水听器和FOPH来说较窄，频率响应也不及后二者平坦，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。

2. 膜式水听器适合于测试脉冲超声场，因为它的频带宽，且响应均匀，而且其灵敏度在整个测试频率范围内基本上保持一致，因而能很好地重现声波的形状，特别适合非线性和谐波特性的测量。它的优点有：灵敏度高、频带宽、密封设计、内置前置放大器和孔径可选。它的一个缺点是体积大，对测试声场可能会造成干扰。

3. 相对于PVDF水听器，FOPH的突出优点有：更高的空间分辨率、更宽的频带、抗电磁干扰、能测试更高幅值的声压，适合对非线性的高速声场的测试和分析。并且当对FOPH水听器采用固有校准法进行校准时，FOPH系统就不需要参照标准；FOPH的感应尖在受到高幅值声压场产生的空化活动作用而损坏时，能够快速修复，相反PVDF在损坏后就不可修复。

主要参考文献

1 www.acoustics.co.uk

2 Fiber Optic Probe Hydrophone FOPH 2000, RP.acoustics

3 C. Wurster, J. Staudenraus, W.Eisenmenger. The fiber optic probe hydrophone[C]. IEEE Ultrasonics Symposium. 1994:941-944.

4 A. Shaw and M Hodnett. Calibration and measurement issues for therapeutic ultrasound [J]. Ultrasonics, 2008, 48:234-252.

5 国际标准[S] 水听器测试：IEC60866(1987), IEC61101(1991), IEC61102(1991)；声场测试：IEC/TS61390(1996)；声功率测试：IEC61161(1998)

6 A. Shaw and G. ter Haar, Requirements in high intensity focused ultrasound (HIFU) fields [R]. National Physical Lab. Report DQ AC 015, 2006.

7 Yufeng Zhou, Liang Zhai, Rebecca Simmons, Pei Zhong. Measurement of high intensity focused ultrasound fields by a fiber optic probe hydrophone [J]. Acoustical Society of America, 2006, 120(2): 676-685.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/b85r.html