IEC 61161:1992
(Main)Ultrasonics power measurement in liquids in the frequency range 0,5 MHz to 25 MHz
Ultrasonics power measurement in liquids in the frequency range 0,5 MHz to 25 MHz
Specifies a method of determining the total radiated acoustic power of ultrasonic transducters based on the use of a radiation force balance. Provides general principles for the use of radiation force balances in which an obstacle (target) intercepts the sound field to be measured.
Mesurage de puissance ultrasonore dans les liquides dans la gamme de fréquences de 0,5 MHz à 25 MHz
Prescrit une méthode pour déterminer la puissance totale ultrasonore émise des transducteurs ultrasonores, basée sur l'usage d'une balance à force de radiation. Etablit les principes généraux pour utiliser les balances à force de radiation dans lesquelles un obstacle dénommé cible intercepte le champ acoustique à mesurer.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
NORME
CEI
INTERNATIONALE
IEC
INTERNATIONAL
Edition 1.1
STANDARD
1998-05
Edition 1:1992 consolidée par l'amendement 1:1998
Edition 1:1992 consolidated with amendment 1:1998
Mesurage de puissance ultrasonore
dans les liquides dans la gamme
de fréquences de 0,5 MHz à 25 MHz
Ultrasonic power measurement in liquids
in the frequency range 0,5 MHz to 25 MHz
Numéro de référence
Reference number
CEI/IEC 61161:1992+A.1:1998
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indiquent respectivement la publication de base, la the base publication, the base publication incor-
publication de base incorporant l’amendement 1, et la porating amendment 1 and the base publication
publication de base incorporant les amendements 1 incorporating amendments 1 and 2.
et 2.
Validité de la présente publication Validity of this publication
Le contenu technique des publications de la CEI est The technical content of IEC publications is kept under
constamment revu par la CEI afin qu'il reflète l'état constant review by the IEC, thus ensuring that the
actuel de la technique. content reflects current technology.
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confirmation de la publication sont disponibles dans the publication is available in the IEC catalogue.
le Catalogue de la CEI.
Les renseignements relatifs à des questions à l’étude et Information on the subjects under consideration and
des travaux en cours entrepris par le comité technique work in progress undertaken by the technical com-
qui a établi cette publication, ainsi que la liste des mittee which has prepared this publication, as well as
publications établies, se trouvent dans les documents ci- the list of publications issued, is to be found at the
dessous: following IEC sources:
• «Site web» de la CEI* • IEC web site*
• Catalogue des publications de la CEI • Catalogue of IEC publications
Publié annuellement et mis à jour régulièrement Published yearly with regular updates
(Catalogue en ligne)* (On-line catalogue)*
• Bulletin de la CEI • IEC Bulletin
Disponible à la fois au «site web» de la CEI* Available both at the IEC web site* and
et comme périodique imprimé as a printed periodical
Terminologie, symboles graphiques Terminology, graphical and letter
et littéraux symbols
En ce qui concerne la terminologie générale, le lecteur For general terminology, readers are referred to
se reportera à la CEI 60050: Vocabulaire Electro- IEC 60050: International Electrotechnical Vocabulary
(IEV).
technique International (VEI).
Pour les symboles graphiques, les symboles littéraux For graphical symbols, and letter symbols and signs
et les signes d'usage général approuvés par la CEI, le approved by the IEC for general use, readers are
lecteur consultera la CEI 60027: Symboles littéraux à referred to publications IEC 60027: Letter symbols to
utiliser en électrotechnique, la CEI 60417: Symboles be used in electrical technology, IEC 60417: Graphical
graphiques utilisables sur le matériel. Index, relevé et symbols for use on equipment. Index, survey and
compilation of the single sheets and IEC 60617:
compilation des feuilles individuelles, et la CEI 60617:
Symboles graphiques pour schémas. Graphical symbols for diagrams.
* Voir adresse «site web» sur la page de titre. * See web site address on title page.
NORME
CEI
INTERNATIONALE
IEC
INTERNATIONAL
Edition 1.1
STANDARD
1998-05
Edition 1:1992 consolidée par l'amendement 1:1998
Edition 1:1992 consolidated with amendment 1:1998
Mesurage de puissance ultrasonore
dans les liquides dans la gamme
de fréquences de 0,5 MHz à 25 MHz
Ultrasonic power measurement in liquids
in the frequency range 0,5 MHz to 25 MHz
IEC 1998 Droits de reproduction réservés Copyright - all rights reserved
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– 2 – 61161 © CEI:1992+A.1:1998
SOMMAIRE
Pages
AVANT-PROPOS . 4
INTRODUCTION . 6
Articles
1 Domaine d'application . 8
2 Références normatives. 8
3 Définitions. 8
4 Liste des symboles. 10
5 Prescriptions pour les balances à force de radiation . 12
5.1 Généralités . 12
5.2 Caractéristiques de la cible . 12
5.3 Diamètre de la cible . 14
5.4 Microbalance/Système de mesurage de la force . 14
5.5 Cuve du système . 16
5.6 Structures du support de cible . 16
5.7 Positionnement du transducteur . 16
5.8 Feuillets contre les courants. 18
5.9 Couplage à transducteur . 18
5.10 Etalonnage. 18
6 Prescriptions pour les conditions de mesurage . 20
6.1 Position latérale du transducteur . 20
6.2 Distance du transducteur à la cible. 20
6.3 Eau. 20
6.4 Mouillage . 22
6.5 Conditions d'environnement . 22
6.6 Dérives thermiques . 22
7 Incertitude de mesurage. 22
7.1 Evaluation des incertitudes de mesurage. 22
Figures. 34
Annexe A – Formules fondamentales. 40
Annexe B – Autres méthodes de mesurage de la puissance acoustique . 44
Annexe C – Bibliographie. 46
61161 © IEC:1992+A.1:1998 – 3 –
CONTENTS
Page
FOREWORD . 5
INTRODUCTION . 7
Clause
1 Scope . 9
2 Normative references . 9
3 Definitions. 9
4 List of symbols . 11
5 Requirements for radiation force balances. 13
5.1 General. 13
5.2 Target type . 13
5.3 Target diameter . 15
5.4 Microbalance/Force measuring system . 15
5.5 System tank . 17
5.6 Target support structures . 17
5.7 Transducer positioning . 17
5.8 Anti-streaming foils . 19
5.9 Transducer coupling. 19
5.10 Calibration . 19
6 Requirements for measuring conditions . 21
6.1 Lateral transducer position . 21
6.2 Transducer/Target separation . 21
6.3 Water. 21
6.4 Water contact . 23
6.5 Environmental conditions . 23
6.6 Thermal drifts. 23
7 Measurement uncertainty . 23
7.1 Assessment of measurement uncertainties. 23
Figures. 35
Annex A – Basic formulae. 41
Annex B – Other methods of ultrasonic power measurement . 45
Annex C – Bibliography. 46
– 4 – 61161 © CEI:1992+A.1:1998
COMMISSION ÉLECTROTECHNIQUE INTERNATIONALE
–––––––––
MESURAGE DE PUISSANCE ULTRASONORE DANS LES LIQUIDES
DANS LA GAMME DE FRÉQUENCES DE 0,5 MHz À 25 MHz
AVANT-PROPOS
1) La CEI (Commission Electrotechnique Internationale) est une organisation mondiale de normalisation composée
de l'ensemble des comités électrotechniques nationaux (Comités nationaux de la CEI). La CEI a pour objet de
favoriser la coopération internationale pour toutes les questions de normalisation dans les domaines de
l'électricité et de l'électronique. A cet effet, la CEI, entre autres activités, publie des Normes internationales.
Leur élaboration est confiée à des comités d'études, aux travaux desquels tout Comité national intéressé par le
sujet traité peut participer. Les organisations internationales, gouvernementales et non gouvernementales, en
liaison avec la CEI, participent également aux travaux. La CEI collabore étroitement avec l'Organisation
Internationale de Normalisation (ISO), selon des conditions fixées par accord entre les deux organisations.
2) Les décisions ou accords officiels de la CEI concernant les questions techniques représentent, dans la mesure
du possible un accord international sur les sujets étudiés, étant donné que les Comités nationaux intéressés
sont représentés dans chaque comité d’études.
3) Les documents produits se présentent sous la forme de recommandations internationales. Ils sont publiés
comme normes, rapports techniques ou guides et agréés comme tels par les Comités nationaux.
4) Dans le but d'encourager l'unification internationale, les Comités nationaux de la CEI s'engagent à appliquer de
façon transparente, dans toute la mesure possible, les Normes internationales de la CEI dans leurs normes
nationales et régionales. Toute divergence entre la norme de la CEI et la norme nationale ou régionale
correspondante doit être indiquée en termes clairs dans cette dernière.
5) La CEI n’a fixé aucune procédure concernant le marquage comme indication d’approbation et sa responsabilité
n’est pas engagée quand un matériel est déclaré conforme à l’une de ses normes.
6) L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments de la présente Norme internationale peuvent faire
l’objet de droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. La CEI ne saurait être tenue pour
responsable de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et de ne pas avoir signalé leur existence.
La présente Norme internationale a été établie par le comité d'études 87 de la CEI: Ultrasons.
La présente version consolidée de la CEI 61161 est issue de la première édition (1992) et de
son amendement 1 (1998) [documents 87/113/FDIS et 87/116/RVD].
Elle porte le numéro d'édition 1.1.
Une ligne verticale dans la marge indique où la publication de base a été modifiée par
l'amendement 1.
L'annexe A fait partie intégrante de la présente Norme internationale.
Les annexes B et C sont données uniquement à titre d'information.
NOTE – Les caractères d'imprimerie suivants sont employés:
– Prescriptions: caractères romains
– Modalités d'essais: caractères italiques
– Notes: petits caractères romains
– Les termes en caractères gras dans le texte sont définis à l'article 3.
61161 © IEC:1992+A.1:1998 – 5 –
INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION
–––––––––
ULTRASONIC POWER MEASUREMENT IN LIQUIDS IN
THE FREQUENCY RANGE 0,5 MHz TO 25 MHz
FOREWORD
1) The IEC (International Electrotechnical Commission) is a worldwide organization for standardization comprising
all national electrotechnical committees (IEC National Committees). The object of the IEC is to promote
international co-operation on all questions concerning standardization in the electrical and electronic fields. To
this end and in addition to other activities, the IEC publishes International Standards. Their preparation is
entrusted to technical committees ; any IEC National Committee interested in the subject dealt with may
participate in this preparatory work. International, governmental and non-governmental organizations liaising
with the IEC also participate in this preparation. The IEC collaborates closely with the International Organization
for Standardization (ISO) in accordance with conditions determined by agreement between the two
organizations.
2) The formal decisions or agreements of the IEC on technical matters express, as nearly as possible, an
international consensus of opinion on the relevant subjects since each technical committee has representation
from all interested National Committees.
3) The documents produced have the form of recommendations for international use and are published in the form
of standards, technical reports or guides and they are accepted by the National Committees in that sense.
4) In order to promote international unification, IEC National Committees undertake to apply IEC International
Standards transparently to the maximum extent possible in their national and regional standards. Any
divergence between the IEC Standard and the corresponding national or regional standard shall be clearly
indicated in the latter.
5) The IEC provides no marking procedure to indicate its approval and cannot be rendered responsible for any
equipment declared to be in conformity with one of its standards.
6) Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this International Standard may be the subject
of patent rights. The IEC shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
This International Standard has been prepared by technical committee 87: Ultrasonics.
This consolidated version of IEC 61161 is based on the first edition (1992), and its amend-
ment 1 (1998) [documents 87/113/FDIS and 87/116/RVD].
It bears the edition number 1.1.
A vertical line in the margin shows where the base publication has been modified by
amendment 1.
Annex A forms an integral part of this International Standard.
Annexes B and C are for information only.
NOTE – The following print types are used:
• Requirements: in roman type
• Test specifications: in italic type
• Notes: in small roman type
• Words in bold in the text are defined in clause 3.
– 6 – 61161 © CEI:1992+A.1:1998
INTRODUCTION
Il existe un certain nombre de méthodes pour déterminer la puissance acoustique totale émise
*
par des transducteurs ultrasonores ([1] à [3]*, voir aussi l'annexe B). Le but de cette Norme
internationale est d'établir des méthodes de mesurage de puissance ultrasonore dans les
liquides pour les fréquences de l'ordre du mégahertz basées sur le mesurage de la force de
radiation en utilisant une balance gravimétrique. L'avantage majeur du mesurage de la force de
radiation est que la valeur de la puissance totale émise est obtenue sans qu'il soit nécessaire
d'intégrer les données du champ sur la section du faisceau. De plus, les dispositifs de
mesurage de la force de radiation sont simples à manipuler et à étalonner.
La présente norme énumère les sources d'erreurs et décrit une procédure pas à pas
systématique nécessaire pour évaluer les incertitudes de mesurage globales.
––––––––––
*
Les chiffres entre crochets se rapportent à l'annexe C – Bibliographie, page 46.
61161 © IEC:1992+A.1:1998 – 7 –
INTRODUCTION
A number of measuring methods exist for the determination of the total radiated power of
*
ultrasonic transducers ([1] to [3]*, see also annex B). The purpose of this International
Standard is to establish methods of measurement of ultrasonic power in liquids in the
megahertz frequency range based on the measurement of the radiation force using a
gravimetric balance. The great advantage of radiation force measurements is that a value for
the total radiated power is obtained without the need to integrate field data over the cross-
section of the radiated sound beam. In addition, the radiation force measuring devices are easy
to handle and to calibrate.
This standard enumerates the sources of errors and describes a systematic step-by-step
procedure needed to assess overall measurement uncertainties.
––––––––––
*
The figures in square brackets refer to annex C – Bibliography, page 46.
– 8 – 61161 © CEI:1992+A.1:1998
MESURAGE DE PUISSANCE ULTRASONORE DANS LES LIQUIDES
DANS LA GAMME DE FRÉQUENCES DE 0,5 MHz À 25 MHz
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale
– prescrit une méthode pour déterminer la puissance totale ultrasonore émise des trans-
ducteurs ultrasonores, basée sur l'usage d'une balance à force de radiation;
– établit les principes généraux pour utiliser les balances à force de radiation dans lesquelles
un obstacle dénommé cible intercepte le champ acoustique à mesurer.
NOTE – La force de radiation est égale à la variation du flux de quantité de mouvement moyenne sur le temps et
est donc reliée à la puissance et à l'intensité ultrasonores.
– fournit des informations concernant l'évaluation des incertitudes de mesurage globales.
Cette Norme internationale est applicable:
– aux mesurages de la puissance ultrasonore par utilisation d'une balance à force de
radiation dans la gamme de fréquences de 0,5 MHz à 25 MHz;
– aux mesurages de la puissance totale ultrasonore des transducteurs avec des faisceaux
possédant une bonne collimation;
– à l'utilisation de balances à force de radiation de type gravimétrique.
NOTE – Une liste des publications auxquelles il est fait référence dans cette norme est donnée dans l'annexe C.
2 Références normatives
Les documents normatifs suivants contiennent des dispositions qui, par suite de la référence
qui y est faite, constituent des dispositions valables pour la présente Norme internationale.
Tout document normatif est sujet à révision et les parties prenantes aux accords fondés sur la
présente Norme internationale sont invitées à rechercher la possibilité d'appliquer les éditions
les plus récentes des documents normatifs indiqués ci-après. Les membres de la CEI et de
l'ISO possèdent le registre des Normes internationales en vigueur.
CEI 60050(801):1984, Vocabulaire Electrotechnique International (VEI) – Chapitre 801:
Acoustique et électroacoustique
CEI 60150:1963, Essai et étalonnage de générateurs d'ultrasons à usage thérapeutique
CEI 61101:1991, L'étalonnage absolu des hydrophones par la technique du balayage planaire
dans la gamme de fréquences de 0,5 MHz à 15 MHz
3 Définitions
3.1 courant acoustique: Mouvement de fluide qui se développe en régime permanent dans
un champ acoustique sous certaines conditions.
3.2 champ lointain: Champ libre à une distance de la source telle que la pression acoustique
décroisse de manière monotone lorsque cette distance augmente. Il s'agit en général de la
région du champ acoustique où l'impédance acoustique, c'est-à-dire le rapport complexe de
la pression acoustique à la vitesse des particules, est substantiellement égal à ρc, ρ étant la
densité du milieu et c la célérité du son dans celui-ci.
61161 © IEC:1992+A.1:1998 – 9 –
ULTRASONIC POWER MEASUREMENT IN LIQUIDS IN
THE FREQUENCY RANGE 0,5 MHz TO 25 MHz
1 Scope
This International Standard
• specifies a method of determining the total radiated acoustic power of ultrasonic
transducers based on the use of a radiation force balance;
• establishes general principles for the use of radiation force balances in which an obstacle
(target) intercepts the sound field to be measured.
NOTE – The radiation force is equal to the change in the time-averaged momentum flow and is thus related to
ultrasonic intensity and power.
• provides information on assessment of overall measurement uncertainties.
This International Standard is applicable to:
• the measurement of ultrasonic power based on the use of a radiation force balance in the
frequency range from 0,5 MHz to 25 MHz;
• the measurement of total ultrasonic power of transducers with well-collimated beams;
• the use of radiation force balances of the gravimetric type.
NOTE – The titles of other publications referred to in this Standard are listed in annex C.
2 Normative references
The following normative documents contain provisions which, through reference in this text,
constitute provisions of this International Standard. At the time of publication, the editions
indicated were valid. All normative documents are subject to revision, and parties to
agreements based on this International Standard are encouraged to investigate the possibility
of applying the most recent editions of the normative documents indicated below. Members of
IEC and ISO maintain registers of currently valid International Standards.
IEC 60050(801):1984, International Electrotechnical Vocabulary (IEV) – Chapter 801: Acoustics
and electro-acoustics
IEC 60150:1963, Testing and calibration of ultrasonic therapeutic equipment
IEC 61101:1991, The absolute calibration of hydrophones using the planar scanning technique
in the frequency range 0,5 MHz to 15 MHz
3 Definitions
3.1 acoustic streaming: Steady-state fluid motion which develops under certain conditions in
a sound field.
3.2 far field: Sound field at a distance from the source where the sound pressure decreases
monotonically with increasing distance from the source. In general, this is the region of the
sound field where the specific acoustic impedance, i.e. the complex ratio of sound pressure to
particle velocity, is substantially equal to ρc, ρ being the density and c the velocity of sound in
the sound-propagating medium.
– 10 – 61161 © CEI:1992+A.1:1998
3.3 champ libre: Champ acoustique dans un milieu homogène et isotrope dont les limites
exercent une influence négligeable sur les ondes acoustiques. [VEI 801-03-28 modifié.]
3.4 champ proche: Région du champ acoustique située à une distance de la source inférieure
à celle du début du champ lointain. C'est en général la région du champ acoustique où
l'impédance acoustique complexe spécifique diffère notablement de ρc.
3.5 puissance de sortie: Moyenne temporelle de la puissance acoustique émise par un
transducteur ultrasonore dans un champ quasi libre dans des conditions spécifiées dans
un milieu spécifié, l'eau de préférence.
Symbole: P
Unité: watt, W
3.6 force de radiation; force de radiation acoustique: Moyenne temporelle de la force
s'exerçant sur un corps plongé dans un champ acoustique et trouvant son origine dans le
champ acoustique; ou, plus généralement, moyenne temporelle de la force apparaissant, dans
un champ acoustique, à la surface de séparation entre deux milieux de propriétés acoustiques
différentes.
Symbole: F
Unité: newton, N
3.7 pression de radiation; force acoustique de radiation: Force de radiation par unité d'air.
3.8 cible: Dispositif conçu spécialement pour être placé dans un champ acoustique et servir
d'objet sur lequel la force de radiation qui s'y exerce sera mesurée.
3.9 transducteur ultrasonore: Dispositif capable de convertir l'énergie électrique en énergie
mécanique et/ou réciproquement dans le domaine des fréquences ultrasonores.
4 Liste des symboles
a = rayon d'un transducteur ultrasonore servant de source
c = vitesse du son (généralement dans l'eau)
d = distance focale géométrique d'un transducteur ultrasonore focalisé
F = force de radiation sur une cible dans la direction de propagation d'une onde ultrasonore
g = accélération de la pesanteur
k =(= 2π/λ) nombre d'onde circulaire
P = puissance de sortie d'un transducteur ultrasonore
s =(= x λ/a ) distance normalisée par rapport à la longueur du champ proche
x = distance entre la cible et le transducteur ultrasonore
α = coefficient d'atténuation en amplitude d'ondes planes dans un milieu (généralement
dans l'eau)
γ (= arc sin a/d) angle de focalisation d'un transducteur ultrasonore focalisé
θ
= angle entre la direction de propagation de l'onde ultrasonore et la normale à la surface
réfléchissante d'une cible
λ = longueur d'onde ultrasonore.
61161 © IEC:1992+A.1:1998 – 11 –
3.3 free field: A sound field in a homogeneous isotropic medium whose boundaries exert a
negligible effect on the sound waves. [IEV 801-03-28 modified.]
3.4 near field: Sound field at distances from the source smaller than the distance at which
the far field begins. In general, this is the region of the sound field where the complex specific
acoustic impedance differs appreciably from ρc.
3.5 output power: Time-average ultrasonic power radiated by an ultrasonic transducer into
an approximately free field under specified conditions in a specified medium, preferably water.
Symbol: P
Unit: watt, W
3.6 radiation force; acoustic radiation force: Time-average force acting on a body in a
sound field and caused by the sound field; or, more generally: time-average force in a sound
field, appearing at the boundary surface between two media of different acoustic properties.
Symbol: F
Unit: newton, N
3.7 radiation pressure; acoustic radiation pressure: Radiation force per unit area.
3.8 target: A device specially designed to be inserted into the ultrasonic field and to serve as
the object on which the radiation force is to be measured.
3.9 ultrasonic transducer: Device capable of converting electrical energy to mechanical
energy within the ultrasonic frequency range and/or reciprocally of converting mechanical
energy to electrical energy.
4 List of symbols
a = radius of a source ultrasonic transducer
c = speed of sound (usually in water)
d = geometrical focal length of a focused ultrasonic transducer
F = radiation force on a target in the propagation direction of an ultrasonic wave
g = acceleration due to gravity
k =(= 2π/λ) circular wavenumber
P = output power of an ultrasonic transducer
s =(= x λ/a ) distance normalized to the near-field length
x = distance between a target and an ultrasonic transducer
α = amplitude attenuation coefficient of plane waves in a medium (usually water)
γ (= arc sin a/d) focus angle of a focused ultrasonic transducer
θ = angle between propagation direction of an ultrasonic wave and the normal to a reflecting
surface of a target
λ = ultrasonic wavelength.
– 12 – 61161 © CEI:1992+A.1:1998
5 Prescriptions pour les balances à force de radiation
5.1 Généralités
La balance à force de radiation doit comporter une cible reliée à une balance. Le faisceau
acoustique doit être dirigé verticalement, vers le haut ou le bas, sur la cible et la force de
radiation exercée par le faisceau acoustique doit être mesurée à l'aide de la balance. La
puissance acoustique doit être déterminée à partir de la différence entre les forces avec et
sans champ acoustique, selon les formules données en annexe A. L'étalonnage peut être
réalisé au moyen de poids de précision de faibles masses connues.
5.2 Caractéristiques de la cible
La cible doit avoir des caractéristiques acoustiques connues en ce qui concerne les détails qui
relient la puissance à la force de radiation. Habituellement on s'efforce d'approcher au mieux
un des deux cas de figure suivants: l'absorbant parfait ou le réflecteur parfait [4]. Il convient
que la compressibilité soit aussi faible que possible afin d'éviter toute variation de flottaison
avec la pression ambiante. Il convient, par ailleurs, de prendre les précautions nécessaires
pour rendre aussi grande que possible la stabilité de la flottaison de la cible.
5.2.1 Cible absorbante
La cible absorbante (voir figure 1) doit avoir:
– un coefficient de réflexion inférieur à 5 %;
– une absorption d'énergie à l'intérieur de la cible d'au moins 99 %.
Des disques d'élastomère approprié avec ou sans angles vifs sont généralement utilisés
comme cibles; le matériau doit contenir des inhomogénéités pour accroître les
caractéristiques absorbantes.
La figure 2 montre un exemple d'absorbeur à pointes. Dans ce cas, la concentration en
inhomogénéités augmente de zéro aux angles vifs à 30 % en volume à l'arrière. Des sphères
de verre creuses d'un diamètre de l'ordre de un dixième de millimètre sont utilisées comme
inhomogénéités; elles ont une influence limitée sur la densité et la compressibilité de
l'élastomère.
5.2.2 Cible réfléchissante – Généralités
La principale difficulté est de réduire la compressibilité de la cible réfléchissante parce que les
variations de la pression ambiante font fluctuer le volume et donc la flottaison de la cible,
proportionnellement à sa compressibilité. Des réflecteurs acoustiques normalement réalisés au
moyen de plaques minces planes de métal avec la face arrière exposée à l'air ne peuvent pas
être utilisés. Des erreurs énormes peuvent être commises avec des réflecteurs métalliques
massifs inclinés à 45° du faisceau [5].
Des cônes réflecteurs creux en verre épais ou en métal mince avec la face arrière exposée à
l'air sont utilisables. Des cônes réflecteurs en mousse plastique rigide recouverts d'une très
mince couche métallique se sont révélés être des cibles convenables [4].
5.2.3 Cible réfléchissante – convexe
La figure 3 montre un réflecteur conique convexe. Le demi-angle du cône est généralement de
45°, de sorte que les ondes réfléchies partent normalement à l'axe du faisceau.
61161 © IEC:1992+A.1:1998 – 13 –
5 Requirements for radiation force balances
5.1 General
The radiation force balance shall consist of a target which is connected to a balance. The
ultrasonic beam shall be directed vertically upwards or downwards on the target and the
radiation force exerted by the ultrasonic beam shall be measured by the balance. The
ultrasonic power shall be determined from the difference between the force measured with and
without ultrasonic radiation, according to the formulae given in annex A. Calibration can be
carried out by means of small precision weights of known mass.
5.2 Target type
The target shall have known acoustic properties, these being relevant to the details of the
relation between ultrasonic power and radiation force. Usually, the aim is to approach most
closely one of the two extreme cases: perfect absorber or perfect reflector [4].
The compressibility should be as low as possible in order to avoid buoyancy changes due to
variations of the ambient pressure. Care should be taken in other respects to maximize the
stability of buoyancy of the target.
5.2.1 Absorbing target
An absorbing target (see figure 1) shall have:
• an amplitude reflection factor of less than 5 %;
• an acoustic energy absorption within the target of at least 99 %.
Circular discs of appropriate elastic rubber material with or without wedges are normally used
as absorbing targets. To increase the absorbing properties, the material should contain
inhomogeneities.
Figure 2 shows an example of a set-up of a wedge-type absorber. In this case the
concentration of the inhomogeneities increases from zero at the wedges to 30 % by volume at
the rear surface. Hollow glass spheres of diameter of the order of one-tenth millimetre behave
satisfactorily as inhomogeneities, since they have only little influence on the density and
compressibility of the elastic rubber material.
5.2.2 Reflecting target – General
The main problem is to reduce the compressibility of a reflecting target because air pressure
fluctuations modulate the volume, and thereby the buoyancy of the target, proportional to its
compressibility. Plane sound reflectors which are normally realized by means of air-backed thin
metal plates cannot be applied. Using solid metal plates as reflectors, that are adjusted under
an angle of 45° to the sound beam axis, may cause an enormous error [5].
Cone-shaped reflectors made of thick-walled hollow bodies or of air-backed thin metal plates
are applicable. Cone-shaped reflectors made of very stiff plastic foam and which are coated
with a very thin metal layer produced by electroplating have proved to be adequate targets [4].
5.2.3 Reflecting target – convex
A conical reflector of the convex type is shown in figure 3. The cone half-angle is typically
chosen to be 45°, so that the reflected wave leaves at right angles to the ultrasound beam axis.
– 14 – 61161 © CEI:1992+A.1:1998
5.2.4 Cible réfléchissante – concave
La figure 4 montre un réflecteur conique concave. Le demi-angle du cône est généralement de
l'ordre de 60° à 65°, de sorte que l'onde réfléchie se rapproche davantage du transducteur
ultrasonore qu'avec un réflecteur convexe.
5.3 Diamètre de la cible
La cible doit avoir un diamètre suffisant pour intercepter toutes les parties significatives du
champ. Ce diamètre doit être égal à au moins 1,5 fois la dimension correspondante (c'est-à-
dire le diamètre) du transducteur ultrasonore. Le diamètre nécessaire dépend de la forme du
champ et de la distance de la cible au transducteur ultrasonore.
Une formule d'évaluation [6] est donnée ci-dessous pour la valeur minimale du rayon b de la
cible qui donnerait une force de radiation égale à au moins 98 % de la force de radiation qui
existerait si la cible avait une section infinie (c'est-à-dire donnant une erreur inférieure à 2 %).
L'équation est valable pour une cible circulaire absorbante placée dans le champ d'un
transducteur ultrasonore circulaire plan écranté de rayon a fonctionnant en piston, vibrant en
régime permanent dans un milieu non absorbant. La formule est la suivante:
b = a [1/(1 + 0,53 τ s) + τ s] (1)
1 1
avec
β = 0,98 + 0,01 πka
τ = τ + Δτ
1 0
2 ½
τ = ka / (2π (β – 1) )
07, si ka ≤ 9,3
Δτ = 65,/1 ka si 9,3 ≤≤ ka 65,1
≤
01, si 65,1 ka
où
x
est la distance entre la cible et le transducteur ultrasonore;
λ est la longueur d'onde ultrasonore dans le milieu de propagation;
k = 2π/ λ est le nombre d'onde circulaire;
s = x λ/a est la distance normalisée par rapport à la longueur du champ proche entre la cible et le transducteur
ultrasonore normalisé.
L'équation (1) peut aussi être résolue en s, fournissant une valeur maximale de la distance
normalisée entre la cible et le transducteur ultrasonore pour une cible de rayon b donné.
L'influence de l'absorption et des courants acoustiques sera considérée à part.
Par précaution, il convient que b ne soit jamais inférieur à 1,5 a, même si la formule ci-dessus
l'autorise.
5.4 Microbalance/Système de mesurage de la force
La balance à force de radiation, pour les besoins de cette norme, est gravimétrique et le
faisceau est, en conséquence, vertical.
NOTE – Une orientation horizontale du faisceau peut être intéressante car les effets thermiques, tels que
changements de flottaison et courants de convection, seraient réduits. Un dispositif à faisceau horizontal est décrit
en [7].
61161 © IEC:1992+A.1:1998 – 15 –
5.2.4 Reflecting target – concave
A conical reflector of the concave type is shown in figure 4. The cone half-angle is typically
chosen to be of the order of 60° to 65°, so that the reflected wave is directed nearer to the
ultrasonic transducer than with the convex-type reflector.
5.3 Target diameter
The target diameter shall be large enough to intercept all significant parts of the field, and shall
be at least 1,5 times larger than the appropriate dimension (e.g. the diameter) of the
ultrasonic transducer. The necessary diameter value depends on the field structure and on
the distance of the target from the ultrasonic transducer.
In the following, an assessment formula [6] is given for the minimum value of the target radius
b which would lead to a radiation force which amounts to at least 98 % of the radiation force
that would exist if the target were of infinite cross-sectional size (i.e. giving an error of less
than 2 %). The equation is valid for an absorbing circular target in the field of a continuously
vibrating, baffled circular plane piston ultrasonic transducer of radius a in a non-absorbing
medium. The formula is:
b = a [1/(1 + 0,53 τ s) + τ s] (1)
1 1
with
β = 0,98 + 0,01 πka
τ = τ + Δτ
1 0
2 ½
τ = ka / (2π (β – 1) )
07, if ka ≤ 9,3
Δτ = 65,/1 ka if 9,3 ≤≤ ka 65,1
01, if 65,1 ≤ ka
where
x is the distance between the target and the ultrasonic transducer;
λ is the ultrasonic wavelength in the propagation medium;
k = 2π/λ is the circular wavenumber;
s = x λ/a is the distance between the target and the ultrasonic transducer normalized to the near-field length.
Equation (1) can also be solved for s, yielding a maximum value of the normalized distance
between the target and the ultrasonic transducer for a target of given radius b. The influence
of absorption and acoustic streaming is considered separately.
By way of precaution, b should never be reduced below 1,5 a, even if this were possible
according to the above equation.
5.4 Microbalance/Force measuring system
The radiation force balance is understood in this standard to be a gravimetric balance and,
hence, the beam orientation is vertical.
NOTE – A horizontal beam orientation may potentially be of interest since thermal effects, such as convection
currents and changes in buoyancy, should be reduced in that case. A measurement set-up with horizontal beam
orientation is described in [7].
– 16 – 61161 © CEI:1992+A.1:1998
Le type de balance requis dépend fortement du niveau de puissance à mesurer. A une
puissance de 10 mW correspond une force de radiation (dans l'eau et pour une cible
absorbante) de 6,7 μN équivalent à une masse de 0,68 mg alors qu'une puissance de 10 W
donne une force de 6,7 mN correspondant à une masse de 0,68 g. Dans le premier cas une
microbalance électronique à tarage automatique est l'instrument le mieux adapté alors que
dans le second cas une balance de laboratoire électronique ou mécanique adaptée [8] peut
parfaitement être utilisée. Dans tous les cas, il est essentiel de pouvoir compenser un
déplacement de la position de repos de la cible.
Si l'étalonnage du système balance/mesurage de la force est réalisé à l'aide de faibles poids
de masse connue ou si, pour d'autres raisons la lecture du système balance/ mesurage de la
force s'effectue en unités de masse, les mesures en masse doivent être multipliées par
–2
l'accélération de la pesanteur g = 9,81 m ⋅ s , de manière à les convertir en force. Si les
mesures sont données en milligrammes (ou en grammes), la multiplication par g donne des
forces en micronewtons (ou millinewtons respectivement). Quand la puissance ultrasonore est
évaluée à partir de la force selon les formules données en annexe A, l'utilisation d'une célérité
–1
en mètres par seconde, comme par exemple c = 1 491 m ⋅ s dans l'eau pure à 23 °C, aboutit
à une puissance en microwatts (ou en milliwatts, respectivement).
5.5 Cuve du système
Si l'on utilise une cible réfléchissante, la cuve de mesurage doit être doublée d'un matériau
absorbant.
Il est nécessaire de s'assurer que ni la cible ni d'autres parties de l'appareillage ne génèrent
des réflexions acoustiques significatives, ou bien que ces réflexions sont renvoyées dans des
directions telles qu'elles n'interfèrent pas avec le transducteur ultrasonore. Dans le cas
contraire, la puissance mesurée ne sera pas en général égale à la valeur attendue en champ
libre.
5.6 Structures du support de cible
Dans les balances statiques, il convient de concevoir les éléments de structure portant la cible
et transmettant la force de radiation à travers l'interface entre l'air et l'
...
Questions, Comments and Discussion
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