40 微米针式水听器是 Precision Acoustics Ltd. 制造的一系列针式水听器之一。它设计用于与可潜式前置放大器和带电源的直流耦合器配合使用，组成一个完整的水听器系统。本文档中所报告的性能参数均基于包含 40 微米针式水听器、前置放大器和直流耦合器的水听器系统。
水听器的有源元件尺寸会影响其许多性能，包括灵敏度、频率响应、方向性响应、动态范围以及等效噪声压力。本技术数据表依据 IEC 62127 第3部分 [3] 编写，提供了有关 40 微米针式水听器系统的详细规格。
40 微米针式水听器是该系列中最小的型号，专为高频应用而设计，其有源元件在 19 MHz 时的尺寸约为半个波长。
产品描述
40 微米针式水听器经过优化，适用于 5 MHz 至 40 MHz 频率范围内的测量。其非常小的有源区域可确保较宽的方向性响应，并最大程度地减少空间平均效应。然而，较小的传感器区域会导致整体水听器灵敏度较低
规格
尺寸
灵敏度与频率响应
所有探针型水听器的频率响应都随频率变化。其理论基础已被充分理解，并在其他文献中有所描述[1]。图2显示了针式水听器与其相应前置放大器配合使用时，在50Ω负载条件下的典型电缆末端灵敏度。该数据由伦敦国家物理实验室（NPL）采集
用于进行绝对声压测量的针式水听器应至少每 12 个月校准一次。水听器应每月与参考声源进行检查，以便比年度校准周期更早地发现灵敏度的变化。频率响应测量的不确定度是依据文献[2]中制定的方法确定的。主要的不确定度来源之一是用于校准的参考水听器的校准不确定度，而该参考水听器本身可溯源至国家一级标准
方向响应
水听器的方向响应是使用与频率响应测定中相同的非线性声场建立的。水听器被安装在一个夹具中，该夹具允许精确调整有源元件的位置。随后调整水听器的针尖，使其在声场中旋转时记录到的波形时间偏移小于100纳秒。此对准确保水听器在旋转过程中没有位移，因此接收到信号的任何变化仅归因于水听器的方向响应。通过记录水听器随角度变化的波形，可以确定不同频率下的方向响应。图4展示了40微米针式水听器在1 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz、25 MHz、30 MHz和40 MHz频率下的方向响应曲线
有效半径
水听器的有效半径是根据方向响应曲线上 -3 dB 和 -6 dB 点所对应的角度，按照文献[3]中描述的方法计算得出的，平均有效半径如图5所示。然而，对于该水听器来说，IEC 方法在低频段失效，因为其方向响应在低于 10 MHz 的频率下始终高于 -6 dB 水平
动态范围、线性度及电磁干扰
下限动态范围
水听器组件的噪声底限制了对微弱声信号的测量能力。前置放大器在 100 MHz 带宽内的噪声电平约为 60 μV rms。若假设水听器的灵敏度为 6 mV/MPa，则上述噪声电平对应于 40 微米针式水听器的等效噪声压力
用于记录水听器产生的波形的数据采集系统也会限制最小可记录信号。例如，分辨率最高为 0.5 mV 的示波器只能显示幅度大于或等于 0.5 mV / 50 mV/MPa = 10 kPa 的信号
上限动态范围
关于超过该压力阈值时水听器可能发生机械损坏的问题：该水听器设计用于承受高达 10 MPa 的声场。虽然此类水听器曾用于超过 50 MPa 的超声声场，但存在较高的损坏风险。如果需在声压水平超过 10 MPa 的声场中使用水听器，建议咨询供应商的意见。关于放大器饱和的压力阈值：与该水听器配套使用的前置放大器在输出电压峰峰值超过 700 mV 时可能开始出现非线性现象。考虑到典型的 40 微米针式水听器灵敏度，这对应的压力为
然而，如上所述，在此压力水平下进行测量可能会导致水听器损坏，因此应咨询供应商的意见
电气输出
特性由于未对本文描述的水听器进行相关测定，因此此处无代表性数据提供
环境方面
温度变化
该针式水听器可在 5°C 至 50°C 的工作温度范围内进行测量，并可在 5°C 至 50°C 的范围内存储。暴露于高于 60°C 的温度可能会对水听器造成不可逆转的损害。该水听器组件是在 19°C 至 25°C 之间的温度下校准的。水听器的灵敏度会随温度变化而变化，预计每升高 1°C，灵敏度将增加约 0.6%
水质
该水听器组件设计为可完全浸没在水中，能够轻松承受由 2 米水柱产生的静水压力。尽管水听器组件可长时间（超过 48 小时）浸泡使用，但在不使用时应将水听器从水中取出并晾干。在水质方面，使用该水听器没有具体的操作要求。然而，水听器测量标准如[4][5]可能对水质有特定要求。长期浸泡在未去离子的水中（如自来水）可能会导致水听器针尖上积聚沉积物。钙质沉积物在“硬水”区域尤为常见，会导致水听器灵敏度下降
其他液体介质
尽管该水听器组件设计用于水中工作，但也可以用于许多其他液体介质中。需要注意的是，该水听器的校准是在水中进行的。其他介质对水听器有源元件施加不同的声学阻抗负载，这可能会影响水听器的灵敏度。由于某些液体具有化学腐蚀性，应避免使用。应避免的液体示例如下
•浓酸（如硝酸、硫酸）；
• 浓碱（如氢氧化钠）；
• 强有机溶剂（如多种醛类、多种酮类、二氯甲烷（DMC）、二甲基甲酰胺（DMF））
出厂时，水听器组件中唯一暴露于周围液体的材料包括黄金、不锈钢、聚四氟乙烯（PTFE）、黄铜以及前置放大器电缆上的聚氯乙烯（PVC）护套。然而，如果水听器外部的金电极受到损坏，聚偏二氟乙烯（PVDF）和硬质浇注树脂也可能暴露出来
参考
[1]B. Fay, G. Ludwig, C. Lankjaer 和 P. A. Lewin，“PVDF 针型水听器的频率响应”，《超声医学与生物学》，第20卷，第361-366页，1994年
[2]BIPM，JCGM100：2008 测量数据评估——测量不确定度表达指南，2008年
[3]IEC，62127 超声波-水听器-第3部分：适用于高达40 MHz超声场的水听器性能，2007年[4]IEC，62127 超声波-水听器-第1部分：高达40 MHz医疗超声场的测量与表征，2013年[5]IEC，61157 医疗诊断超声设备声输出报告的标准方法，2013年
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