超聲波的聲場特性

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第二章 超聲波聲場的特性第一節(jié) 波源輻射聲場超聲檢測或超聲相控陣成像檢測設備都是工作于主動檢測方式。即由作為生源的超聲換能器或陣列超聲換能器向被檢測物體內(nèi)發(fā)射超聲波，然后由接收換能器或陣列換能器接收載有被檢測物體內(nèi)缺陷或組織信息的超聲回波信號，再通過信息提取與處理，實現(xiàn)對被檢測物體內(nèi)部缺陷或結(jié)構(gòu)的評估與成像。2.1 波動方程 物理聲學中的波動方程是研究超聲（或陣列）換能器的聲場特性最基本的原理和方程。若被超聲檢測的物體為金屬材質(zhì)，大部分區(qū)域被認為各點的聲速和密度是一致的，被認為是均勻體，只是對于缺陷或組織不均勻區(qū)域則是不一致的；若被檢測物體為生物體，物體內(nèi)各點的聲速與

2、密度存在起伏，并非均勻一致。本書只討論在工程應用的超聲相控陣成像檢測技術，因此僅討論在均勻介質(zhì)中的聲場。在聲速與密度非均勻的介質(zhì)中，聲波傳播過程用非均勻介質(zhì)中聲波方程來加以描述。非均勻介質(zhì)中波動方程為2P-1C2 2Pt2=1P （式2-1）式中，P是聲強，是介質(zhì)密度，c是聲波的速度，是梯度算子。 假設聲速和密度較之平均聲速c0和平均密度0有微小偏移，即=0+ c=c0+c其中<<0， c<<c0，那么，式（2-1）可以表示為2P-1C2 2Pt2=-2cc03 2Pt2+10()P （式2-2）式（2-2）等號右邊兩項稱為散射項，有時也稱為有源項。就是說，當介質(zhì)密度及

3、聲速非均勻時，則介質(zhì)中有等效生源分布；但是，當介質(zhì)均勻時，介質(zhì)中沒有等效聲源分布，右邊兩項為0。因此，可以得到理想流體介質(zhì)中的波動方程2P-1C2 2Pt2=0 （式2-3） 上面三個公式是研究相控陣超聲成像的理論基礎，通常由式（2-3）觸發(fā)來求解換能器或陣列換能器的輻射聲場分布，而式（2-2）常用于描述非均勻介質(zhì)中的散射場問題。2.2 基于空間沖激響應的脈沖場模型 在無損檢測領域中，多采用脈沖，所用的換能器或換能陣通常也是寬帶的，因此以下內(nèi)容將對換能器或陣的脈沖聲場進行討論。2.2.1 輻射聲場模型圖 2-1 單源換能器及其所在坐標系統(tǒng)如圖2-1所示，假設一個任意形狀的換能器嵌在無限大的剛性

4、障板上，置于均勻介質(zhì)中，那么該換能器的輻射聲場可以通過求解均勻介質(zhì)中的波動方程（2-3）來求得。通常輻射聲場可以很容易通過速度勢函數(shù)來求解，在均勻介質(zhì)中，速度勢函數(shù)滿足如下波動方程2-1c022t2=0 （式2-4）那么，換能器在空間任一點的聲壓為Pr,t=0(r,t)t （式2-5）式中，r代表了場點在空間中的位置。 假設換能器是活塞式聲源，即面上各點的振動幅值和相位都是相同的，那么任意激勵vt在場點r產(chǎn)生的速度勢函數(shù)可由下式得出r,t=vt*S t-Rc2RdS （式2-6）式中，vt是換能器表面的垂直振動速度，*代表了時間上的卷積算子。在上式中，積分hr,t=S (t-Rc)2RdS （

5、式2-7）稱為空間沖激響應，它表示換能器受到單位沖擊信號(t)激勵后場點r處的相應。因此，空間沖激響應描述了換能器如何向空間輻射聲場，可以將其看成一個線性系統(tǒng)在空間一點的沖激響應。利用空間沖激響應，輻射聲場可由下式給出Pr,t=0v(t)t*h(r,t) （式2-8）式中，v(t)/t 是換能器表面的振動加速度。這種卷積模型可以計算任意激勵的輻射聲場。 對于單個陣元來說，它的空間沖激響應可由式（2-7）求得，而一個由NX×NY個活塞式陣元組成二維陣列換能器的空間沖激響應是所有陣元空間沖激響應延時代數(shù)和hn(r,t)=i=1NXj=1NYhij(rij,t-tij) （式2-9）式中，hij為第（i，j）陣元的空間沖激響應，rij是第（i，j）陣元到場點的距離，tij表示第（i，j）陣元對陣列中心（或參考點）的相應延時值，它控制了聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦。由于這種模型采用了線性系統(tǒng)的理論，也可以描述具有任意表面振速幅值分布的換能器的輻射聲場。因此，基于空間沖激響應的輻射聲場模型可以描述任意形狀、任意大小及