4.0 mm 针式水听器是 Precision Acoustics Ltd. 生产的一系列针式水听器产品之一。该水听器设计用于与可浸没式前置放大器以及带电源的直流耦合器配合使用，从而组成完整的水听器系统。本数据表中所提及的各项性能参数，均指包含 4.0 mm 针式水听器、前置放大器及直流耦合器在内的整体水听器系统性能。
水听器敏感元件的尺寸会影响多项性能指标，包括灵敏度、频率响应、指向性响应、动态范围以及等效噪声压力。本技术数据表依据 IEC 62127-3 编制，对 4.0 mm 针式水听器系统提供了详细的技术规格说明。
4.0 mm 针式水听器是一款高灵敏度器件，针对 1 MHz 以下的应用进行了优化设计。
产品描述
4.0 mm 针式水听器在 Precision Acoustics Ltd. 的针式水听器系列中具有最高的灵敏度，针对 1 MHz 以下的测量进行了优化。其较大的敏感元件面积可以测量约 10 Pa 的信号。然而，较大的传感器面积会导致在高频下指向性响应模式更加明显。
规格参数
- 型号：NH4000
- 传感元件尺寸：
- 直径：4.0 mm
- 厚度：28 μm
- 水听器尺寸：见图 1
- 水听器重量：5.7 g
- 换能方式：压电转换
- 传感器材料：聚偏二氟乙烯 (PVDF)
- 平均灵敏度（0.1 MHz 至 10 MHz 范围内）：8.0 V/MPa（更多数据见下文）
- 个体传感器间灵敏度变化：±3 dB
- 水听器频率带宽：0.05 MHz 至 10 MHz
- 测量不确定度（基于国家计量机构校准的典型值）：
- 0.05 MHz 至 1 MHz：9%
- 1 MHz 至 8 MHz：8%
- 9 MHz 至 20 MHz：11%
- 水听器系统输出阻抗：50 Ω
- 使用时方向：针尖直接指向声源（见图 4）
尺寸：
灵敏度与频率响应
所有探针型水听器的频率响应都与频率有关。其理论基础已被充分研究，并在其他文献中有详细描述 [1]。图 2 和图 3 显示了针式水听器在与相应前置放大器配合使用、负载为 50 Ω 时的典型电缆末端灵敏度。这些图中显示的数据集均由 National Physical Laboratory 获得。
针式水听器在进行声压的绝对测量时，应至少每 12 个月校准一次。为了在年度校准周期之前尽早发现灵敏度变化，应每月使用参考声源对水听器进行检查。
频率响应测量的不确定度是依据文献 [2] 中建立的方法确定的。其中一个主要的不确定度来源是用于校准的参考水听器的校准本身，其校准可追溯至国家一级标准。
指向性响应
水听器的指向性响应是使用与频率响应测定相同的非线性声场确定的。水听器被安装在一个可以精确调节敏感元件位置的固定装置中。然后调整水听器针尖，使其在旋转声场时记录的波形时间偏移小于 100 ns。该对准确保水听器在旋转过程中不发生位移，因此接收信号的任何变化仅由水听器的指向性响应引起。
通过记录水听器随角度变化生成的波形，可确定各频率下的指向性响应。图 5 绘制了 4.0 mm 针式水听器在 1 MHz、2 MHz、3 MHz、4 MHz、5 MHz 和 10 MHz 下的指向性响应。
有效半径
水听器的有效半径是根据指向性响应曲线上 –3 dB 和 –6 dB 点出现的角度计算得出的，计算方法遵循文献 [3] 所述。平均有效半径如图 6 所示。
下限动态范围
水听器组件的噪声底限制了对微小声信号的测量。
前置放大器的噪声水平约为 60 µV rms（在 100 MHz 带宽下）。如果假设水听器的灵敏度为 8.0 V/MPa，则所述噪声水平对应于 4.0 mm 针型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可能限制可记录的最小信号。例如，一台最大分辨率为 0.5 mV 的示波器只能显示幅值为此量级的信号。
上限动态范围
关于会对水听器造成机械损伤的压力阈值：该水听器设计用于最高 1 MPa 的声场。尽管这种类型的水听器曾用于超过 10 MPa 的超声声场，但存在较高的损坏风险。如果水听器将用于声压水平超过 10 MPa 的声场，应咨询供应商的建议。
关于会导致放大器饱和的压力：与该水听器配套使用的前置放大器在输出电压超过 700 mV 峰峰值时可能开始出现非线性。考虑到典型 4.0 mm 针型水听器的灵敏度，这对应的压力为…
如果将遇到超过该压力值的声场，请联系水听器供应商，以考虑在线衰减的方案。
电气输出特性
此处没有可用的代表性数据，因为对于所描述的水听器尚未确定这些参数。
环境方面
温度变化
该针型水听器可在 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 的范围内存放。暴露于高于 60 °C 的温度可能会对水听器造成不可逆的损坏。
该水听器组件已在 19 °C 至 25 °C 之间的温度下进行了校准。水听器的灵敏度会随温度变化而变化，预计每升高 1 °C，灵敏度会增加约 0.6%。
水质
该水听器组件设计为可完全浸入水中，并能轻松承受由 2 米水深产生的静水压力。虽然水听器组件可用于长时间（>48 小时）的浸入，但在不使用时应将水听器从水中取出并晾干。
在使用该水听器时，对水质没有特定的操作要求。然而，水听器测量标准（如[4][5]）可能对水质有特定要求。
长时间浸入未经去离子处理的水（如自来水）可能会导致水听器探头上形成沉积物。在“硬水”地区，碳酸钙沉积可能是一个特别问题，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操作，但也可用于许多其他液体介质。然而需注意，该水听器的校准是在水中进行的。其他液体会对水听器的敏感元件产生不同的声阻抗负载，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。应避免的材料示例包括：
- 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）。
按出厂状态，水听器组件中唯一与周围液体接触的材料为金、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）包覆层。然而，如果水听器的外层金电极损坏，PVDF 材料及硬质铸型树脂也可能暴露。
技术数据表
参考文献
[1] B. Fay, G. Ludwig, C. Lankjaer 和 P. A. Lewin, “Frequency response of pvdf needle-type hydrophones,” Ultrasound Med. Biol., vol. 20, pp. 361-366, 1994.
[2] BIPM, JCGM100: 2008 Evaluation of measurement data — Guide to the expression of uncertainty in measurement, 2008.
[3] IEC, 62127 超声波 – 水听器 – 第 3 部分：适用于高达 40 MHz 超声场的水听器特性, 2007.
[4] IEC, 62127 超声波 – 水听器 – 第 1 部分：医疗超声场测量与特性描述，高达 40 MHz, 2013.
[5] IEC, 61157 医疗诊断超声设备声输出报告的标准方法, 2013.
https://www.bihec.com/acoustics/进口代理Precision Acoustics, PA,NH4000针式水听器,NH4000 4.0 mm水听器/
