第二章 超声波发射声场与规则反射体的回波声压

第二章超声波发射声场与规则反射体的回波声压

By adan

超声波探头(波源)发射的超声场，具有特殊的结构。只有当缺陷位于超声场内时，才有有可能被发现。

由于液体介质中的声压可以进行线性叠加，并且测试比较方便。因此对声场的理论分析研究常常从液体介质入手，然后在一定条件下过渡到固体介质。

又由于实际探伤中广泛应用反射法，因此本章在讨论了超声波发射声场以后，还讨论了各种规则反射体的回波声压。

第一节纵波发射声场

一、圆盘波源辐射的纵波声场

1.波源轴线上声压分布

在不考虑介质衰减的条件下，图2.1所示的液体介质中圆盘源上一点波源ds辐射的球面波在波源轴线上Q点引起的声压为

式中 P o——波源的起始声压；

d s——点波源的面积；

λ——波长；

r——点波源至Q点的距离；

κ———波数，κ=ω/c=2π/λ；

ω——圆频率，ω=2πf；‘

t——时间。

根据波的迭加原理，作活塞振动的圆盘波

源各点波源在轴线上Q点引起的声压可以线性迭加，所以对整个波源面积积分就可以得到波源轴线上的任意一点声压为

其声压幅值为

(2.1)

式中 R s—波源半径；

χ——轴线上Q点至波源的距离。

上述声压公式比较复杂，使用不便，特作如下简化。

当χ≥2R，时，根据牛顿二项式将(2.1)式

简化为

(2.2)

根据sinθ≈θ(θ很小时)上式可简化为

(2.3)

式中 Fs——波源面积，

(2.3)式表明，当χ≥3R；/A时，圆盘源轴线上的声压与距离成反比，与波源面积成正比。

波源轴线上的声压随距离变化的情况如图2.2所示。

(1)近场区：波源附近由于波的干涉而出现一系列声压极大极小值的区域，称为超声场的近场区，又叫菲涅耳区。近场区声压分布不均，是由于波源各点至轴线上某点的距离不同，存在波程差，互相迭加时存在位相差而互相干涉，使某些地方声压互相加强，另一些地方互相减弱，于是就出现声压极大极小值的点。

波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度，用N表示。

声压P有极大值，化简得极大值对应的距

离为

式中n=O、1、2、3、……<(D s-一x)/2λ的正整数，共有n+1个极大值，其中n=0为最后一个极大值。因此近场长度为

(2.4)

声压P有极小值，化简得极小值对应的距离为

式中，n=0、1、2、3、……

由(2.4)式可知，近场区长度与波源面积成正比，与波长成反比。

近场区探伤定量是不利的，处于声压极小值处的较大缺陷回波可能较低，而处于声压极大值处的较小缺陷回波可能较高，这样就容易引起误判，甚至漏检，因此应尽可能避免在近场区探伤定量。

(2)远场区：波源轴线上至波源的距离x>N的区域称为远场区，又叫富琅和费区。远场区轴线上的声压随距离增加单调减少。当x>3N时，声压与距离成反比，近似球面波的规律，P=PoFs/λx．这是因为距离χ足够大时，波源各点至轴线上某一点的波程差很小，引起的相位差也很小，这样干涉现象可略去不计。所以远场区轴线上不会出现声压极大极小值。

2.波束指向性和半扩散角

至波源充分远处任意一点的声压如图2.3所示。

点波源d s在至波源距离充分远处任意一点M(r，O)处引起的声压为

整个圆盘源在点M(r，θ)处引起的总声压幅值为

(2.5)

式中 r——点M(r，θ)至波源中心的距离；

θ——r与波源轴线的夹角；

J1——第一阶贝赛尔函数。

波源前充分远处任意一点的声压P(r，θ)与波源轴线上同距离处声压P(r，θ)之比．称为指向性系数，用Dc表示。

(2.6)

令y=κR s sinθ，则

Dc与y的关系如图2.4。由图2.4可知：

(1)Dc=P(r，θ)/P(r，θ)≤l。这说明超声场中至波源充分远处同一横截面上各点的声压是不同的，以轴线上的声压为最高。实际探伤中，只有当波束轴线垂直于缺陷时，缺陷回波最高就是这个原因。

(2)当y=κR s sinθ=3.83，7.02，10.17，……时，D c=P(r，θ)/P(r，θ)=0，即P(r，θ)=O。这说明圆盘源辐射的纵波声场中存在一些声压为零的圆锥面。由y=κR，sinθ0=3.83得：

(2.7)

式中θo一圆盘源辐射的纵波声场的第一零值发散角，又称半扩散角。

此外对应于y=7.02，10.17，……的发散角称为第二、三、……零值发散角。

(3)当y>3.83，即0>0。时，│Dc│

由于超声波主波束以外的能量很低和介质对超声波的衰减作用，使第一零值发射角以外

的波束只能在波原附近传播，因此在波源附近形成一些副瓣。

由θo一70λ/D，可知，增加探头直径D s，提高探伤频率f，半扩散角θ将减小，即可以改善波束指向性，使超声波的能量更集中，有利于提高探伤灵敏度。但

由可知，增大D s和f，近场区长度N增加，对探伤不利。因此在实际探伤中要综合考虑D s和f对θo及N的影响，合理选择D s和f,一般是在保证探伤灵敏度的前提下尽可能减少近场区长度。

3.波束未扩散区与扩散区

超声波波源辐射的超声波是以特定的角度向外扩散出去的，但并不是从波源开始扩散的。而是在波源附近存在一个未扩散区b，其理想化的形状如图2.5。

(2.8)

在波束未扩散区b内，波束不扩散，不存在扩散衰减，各截面平均声压基本相同。因此薄板试块前几次底波相差无几。

到波源的距离x>b的区域称为扩散区，扩散区内波束扩散衰减。

下面举例说明近场区长度N、半扩散角θ。糯未扩散区长度b的计算。

若用f=2.5MHz，Ds=20mm的探头探测波速cL=5900m/s的钢工件，那么N、θ。和b分别为

4.超声场截面声压分布

前面讨论的是波源轴线上的声压分布情况，未涉及声场截面各点的声压分布情况。下面就来讨论超声场横截面与纵截面上声压特点。

(1)横截面声压分布：超声场近场区与远场区各横截面上的声压分布是不同的。如图2.6

所示，在x

(2)纵截面声压分布：超声场近场区纵截面声压分布如图2.7所示，图中R s为波源半径,

K为波数，图中各曲线为等压线，数字表示P/P。的比值。由该图可知，波源附近纵截面上声压分布十分复杂．而且kRs愈大就愈复杂。

二、矩形波源辐射的纵波声场

如图2.8所示，矩形波源作活塞振动时，在液体介质中辐射的纵波声场同样存在近场区和未扩散角。近场区内声压分布复杂，理论计算困难。远场区声源轴线上任意一点Q处的声压用液体介质中的声场理论可以导出，其计算公式为

(2．9)

式中Fs—矩形波源面积，Fs=4ab。

当θ=r=0时，由(2.9)式得远场轴线上某点的声压为

(2.

10)

当θ=0时，则(2.9)式得YOZ平面内远场某点的声压为

(2.11)

这时在Y0Z平面内的指向性系数D c为

(2.12)

由(2.12)式得D c一y的关系曲线如图2.9所示。由图2.9可知，当y=Kbsir=π时，D c

=0。这时对应的YOZ平面内半扩散角θ0为

(2.13)

同理可导出XOZ平面内的半扩散角θ0为

(2.14)

由以上论述可知，矩形波源辐射的纵波声场与圆盘源不同，矩形波源有两个不同的半扩散角，其声场为矩形，如图2.10所示。

矩形波源的近场区长度为

(2.15)

三、近场区在两种介质中的分布

公式只适用均匀介质。实际探伤中，有时近场区分布在两种不同的介质中，如图2.11所示的水浸探伤，超声波是先进入水，然后再进入钢中。当水层厚度较小时,近场区就会分布在水、钢两种介质中，设水层厚度为L，则钢中剩余近场区长度N为

(2.16)

式中 N2——介质Ⅱ钢中近场长度；

C1一一介质I水中波速；

C2——介质Ⅱ钢中波速；

λ2——介质Ⅱ钢中波长。

例如，用2.5MHz、φ14mm纵波直探头水浸探伤钢板，已知水层厚度为20mm，钢中C L=

5900mm/s，水中C L=1480m/s。求钢中近场区长度N。

解：钢中纵波波长

钢中近场区长度N：

四、实际声场与理想声场比较

以上讨论的是液体介质，波源作活塞振动，辐射连续波等理想条件下的声场，简称理想声场。实际探伤往往是固体介质。波源非均匀激发，辐射脉冲波声场，简称实际声场。它与理想声场是不完全相同的。

由图2.12可知，实际声场与理想声场在远场区轴线上声压分布基本一致。这是因为，当至波源的距离足够远时，波源各点至轴线上某点的波程差明显减少，从而使波的干涉大大减弱，甚至不产生干涉。

但在近场区内，实际声场与理想声场存在明显区别。理想声场轴线上声压存在一系列极大极小值，且极大值为2P0，极小值为零。实际声场轴线上声压虽然也存在极大极小值，但波动幅度小，极大值远小于2P0，极小值也远大于零，同时极值点的数量明显减少。这可以从以下几方面来分析其原因。

(1)近场区出现声压极值点是由于波的干涉造成的。理想声场是连续波，波源各点辐射的声波在声场中某点产生完全干涉。实际声场是脉中波，脉冲波持续时间很短，波源各点辐射的声波在声场中某点产生不完全干涉或不产生干涉。从而使实际声场近场区轴线上声压变化幅度小于理想声场，极值点减少。

(2)根据付里叶级数，脉冲波可以视为常数项和无限个n倍基频的正弦波、余弦波之和，设脉冲波函数为f(t)，则

式中 t——时间；

n——正整数，l，2，3……；

ω一圆频率，ω=2πf=2π/T；

a0、a n b n—一由f(t)决定的常数。

由于脉冲波是由许多不同频率的正弦波、余弦波所组成，又每种频率的波决定一个声场，

因此总声场就是各不同声场的迭加。

可知，波源轴线上的声压极值点位置随波长λ而变化。不同f的声场极值点不同，它们互相迭加后总声压就趋于均匀，使近场区声压分布不均的情况得到改善。

脉冲波声场某点的声压可用下述方法采求得。设声场中某处的总声强为I，则

即

所以超声场中该处的总声压P为

式中 I n——频率为f n的谐波引起的声强；

P n——频率为f n的谐波引起的声压。

(3)实际声场的波源是非均匀激发，波源中心振幅大，边缘振幅小。由于波源边缘引起的波程差较大，对干涉影响也较大。因此这种非均匀激发的实际波源产生的干涉要小于均匀激发的理想波源。当波源的激发强度按高斯曲线变化时，近场区轴线上的声压将不会出现极大极小值，这就是高斯探头的优越性。

(4)理想声场是针对液体介质而言的，而实际探伤对象往往是固体介质。在液体介质中，液体内某点的压强在各个方向上的大小是相同的。波源各点_在液体中某点引起的声压可视为同方向而进行线性迭加。在固体介质中，波源某点在固体中某点引起的声压方向在二者连线上。对于波源轴线上的点，由于对称性，使垂直于轴线方向的声压分量互相抵消，使轴线方向的声压分量互相迭加。显然这种迭加干涉要小于液体介质中的迭加干涉，这也是实际声场近场区轴线上声压分布较均匀的一个原因。

第二节横波发射声场

一、假想横波波源

目前常用的横波探头，是使纵波倾斜入射到界面上，通过波型转换来实现横波探伤的。当

αL=a1～a1时，纵波全反射，第二介质中只有折射横波。

横波探头辐射的声场由第一介质中的纵波声场与第二介质中的横波声场两部分组成，两

部分声场是折断的，如图2.13所示，为了便于理解计算，特将第一介质中的纵波波源转换为轴

线与第二介质中横波波束轴线重合的假想横波波源，这时整个声场可视为由假想横波波源辐

射出来的连续的横波声场。

当实际波源为圆形时，其假想横波波源为椭圆形，椭圆的长轴等于实际波源的直径D s，短轴D s′为

(2.17)

式中β——横波折射角；

α——纵波入射角。

二、横波声场的结构

1.波束轴线上的声压

横波声场一样由于波的干涉存在近场区和远场区。当χ≥3N时，横波声场波

束轴线上的声压为

(2.18)

式中 K——系数；

Fs——波源的面积；

Λs2——第二介质中横波波长；

χ——轴线上某点至假想波源的距离。

由以上公式可知，横波声场中，当z≥3N时，波束轴线上的声压与波源面积成正比，与至假想波源的距离成反比，类似纵波声场。

2．近场区长度

横波声场近场区长度为

(2.19)

式中 N一近场区长度，由假想波源O′算起。

由以上公式可知，横波声场的近场区长度和纵波声场一样，与波长成反比，与波源面积成横波声场中，第二介质中的近场区长度N′为

(2.20)

式中 Fs一波源面积；

κz__介质Ⅱ中横波波长；’

L一入射点至波源的距离；

L2一入射点至假想波源的距离。

我国横波探头常采用K值(K=τgβs)来表示横波折射角的大小，常用K值为1.O、1.5、

2.0和2.5等。为了便于计算近场区长度，特将K与cοsβ/cοsα、τgα/τgβ的关系列于表2.1。

表2.1 cοsβ/cοsα、τgα/τgβ与K值的关系

例1，试计算2.5MHz、14×16mm方晶片K1.0和K2.0横波探头的近场区长度N。(钢

中C n=3230m/s)

由上计算表明，横波探头晶片尺寸一定，K值增大，近场区长度将减小。

例2，试计算2.5MHz、10×12mm方晶片K2.0横波探头，有机玻璃中入射点至晶片的距

离为12mm，求此探头在钢中的近场区长度N′。(钢中cn=3230m／s)

3.半扩散角

从假想横波声源辐射的横波声束同纵波声场一样，具有良好的指向性．可以在被检材料中定向辐射，只是声束的对称性与纵波声场有所不同，如图2.14所示。

在声束轴线与界面法线所决定的入射平面内，声束不再对称于声束轴线，而是声束上半扩散角θ上。θ上声束下半扩散角θ下

(2.1)

计算通过声束轴线与入射平面垂直的平面内，声束对称于轴线，这时半扩散角θo可按下式计算。

对于圆片形声源：

(2.22)

对于矩形正方形声源：

(2.23)

下面举例说明横波和纵波声场半扩散角的比较。

例1，用2.5MHz、φ12mmK2横波斜滩头探伤钢制工件，已知探头中有机玻璃C L1

=273m/s,钢中横波声速C s2=3230m/s,求钢中横波声场的半散角。

解：①有机玻璃中纵波波长

2钢中横波波长

③过轴线与入射平面垂直的平面内

④入射平面内半扩散角θ上、θ下

计算结果如图2.15所示。

例2，用2.5MHz、~12mm纵波直探头探伤钢工件，钢中CL=5900m/s，求其半扩散角。

由上述两个例子可以看出，在其他条件相同时，横渡声泵的指向性比纵波好，横波能量更集中一些。因为横波波长比纵波短。

第三节聚焦声源发射声场

一、聚焦声场的形成

常规的纵波声场或横波声场，声柬是以一定的角度向外扩散出去的，能量不集中，缺陷定量精度差，对粗晶材料检测困难大，60年代发展起来的聚焦声源发射的声场具有声束细，能量集中，分辨力和灵敏度高等优点。用聚焦探头测定大型缺陷的面积或指示长度比常规探头精确。用聚焦探头探测粗晶材料也有了较大的进展。

聚焦探头分为液浸聚焦和接触聚焦两太类。其中液浸聚焦技术发展得比较完善，接触聚焦目前还在探讨与发展之中。采用聚焦理论研制的接触聚焦直、斜探头用于实际检测，近几年收到了较为满意的效果。

液浸聚焦如图2.16所示，它是利用平面波入射到C1>C2的凸透镜(从入射方向看)上其

折射波聚焦的原理制成的。当声透镜为球面镜时，获得点聚焦；当声透镜为柱面镜时，获得线聚焦。

接触聚焦如图2.17所示，它与液浸聚焦不同的是：在声透镜前面加了一个透声楔块，并且要求声透镜中的声速C1大于透声楔块中的声速C2，C1＞C2。由图可知，它是利用平面波入射到C1＞C2的凸透镜上其折射波聚焦，该聚焦折射波再入射到C2＞C3的平界面上其折射波在工件内进一步聚焦。

二、聚焦声场的特点与应用

下面以水浸聚焦为例来说明聚焦声场的情况。

1.聚焦声束轴线上的声压分布

设聚焦声源半径为R，在声程x>R，焦距F>R的条件下，聚焦声束轴线上的声压近似表

达式为：

(2.24)

式中P o一波源起始声压；

F—焦距，F=C1r/(C1-C2)，其中r为声透镜曲率半径，C1为声透镜中声速，C2为水中声速；

X—至波源的距离；

B一参数，B=R2/λF=N/F，R为波源半径。

在焦点处，X=F，上式可简化为

P=πBρo

(2.25)

由(2.25)式可知，焦点处的声压随B值增加而升高。当B=10时，P=31.4P0，可见焦点处的声压之高。

由(2.24)式可得图2.18所示的聚焦声束轴线上焦点附近的声压变化情况。不难看出，焦距F愈小，B值就愈大，聚焦效果就愈好。当焦距F大于或等于近场区长度N时，B=N/F≤1，这时几乎没有聚焦作用。因此焦距应选在近场区长度以内，否则就失去了聚焦的意义。

2.焦柱的几何尺寸

以上讨论的聚焦声场是从几何声学理论出发在理想条件下得到的，聚焦声束最后会聚于

一点(或线)，实际上这种情况是不存在的，因为几何声学忽略了声波的波动性，在焦点附近．声波存在干涉。此外声透镜存在一定的球差，并非完全会聚于一点。因此聚焦声束的焦点是一个聚焦区，该聚焦区呈柱形，其焦柱直径与长度可用以下近似公式表示。

d≈λF/2R (2.26)

L≈λF2/R2(2.27)

L/d=2F/R (2.28)

式中 d一焦柱直径，以焦点处最大声压降低6dB来测定；

L——焦柱长度，以焦点处最大声压降低6dB来测定；

λ一波长；

F一焦距；

R一波源半径；

由以上公式可知，焦柱直径d及长度L与波长λ、焦距F、波源半径R有关。当R一定时，d、L随λ、F增加而增大。二者的比值L/d为一常数，即为焦距与波源半径之比的二倍。

3.聚焦探头的应用

聚焦探头具有声束细、灵敏度高等优点，在铸钢件及奥氏体钢探伤、缺陷面积或指示长度的测定和裂纹高度的测定等方面得到较好的应用。

铸钢件及奥氏体钢晶粒粗大、衰减严重，常规探头探伤散乱反射显著，容易产生草状回波，信噪比低，缺陷判别困难大。采用聚焦探头探伤，由于声束细，产生散乱反射的几率小，因此信噪比高，灵敏度高．有利于缺陷的检出。

随着断裂力学的发展，对缺陷定量的要求日益提高，然而常规探头测定的缺陷面积或指示长度往往与缺陷实际尺寸相差较大。实验证明，使用聚焦探头利用多重分贝法(如6dB，12dB等)来测定缺陷面积或指示长度要比常规探头精确得多。因为聚焦探头声束收敛。

裂纹是最危险的缺陷，测定裂纹高度已引起探伤界的高度重视。人们曾设想采用各种方法来测定裂纹的高度，但测试精度较低。近年来采用聚焦探头利用端点峰值回波法来测定裂纹的高度，获得较好的效果，精度明显提高。

聚焦探头也有不足，最大缺点是声束细，每次扫查范围小，探测效率低。另外，探头的通用性差，每只探头仅适用于探测某一深度范围内的缺陷。

应用聚焦探头测定缺陷尺寸的方法已在实际生产中得到应用。例如，法国已利用水浸聚焦探伤装置检测核反应堆压力壳，美国也已制成汽轮机转子内孔聚焦探伤装置。我国也开始利用聚焦探头对电站锅炉、压力容器管道焊透和某些铸钢件进行检测。收到一定的成效。

第四节规则反射体的回波声压

前面讨论的是超声波发射声场中的声压分布情况，实际探伤中常用反射法。反射法是根据缺陷反射回波声压的高低来评价缺陷的大小。然而工件中的缺陷形状性质各不相同，目前的探伤技术还难以确定缺陷的真实大小和形状。回波声压相同的缺陷的实际大小可能相差很大，为此特引用当量法。当量法是指在两样的探测条件下，当自然缺陷回波与某人工规则反射体回波等高时，则该人工规则反射体的尺寸就是此自然缺陷的当量尺寸。自然缺陷的实际尺寸往往大于当量尺寸。

超声波探伤中常用的规则反射体有平底孔、长横孔、短横孔、球孔和大平底面等，下面分别讨论以上各种规则反射体的回波声压

一、平底孔回波声压

如图2.19所示，在χ≥3N的圆盘波源轴线上存在一平底孔(圆片形)缺陷，设波束轴线垂直于平底孔，超声波在平底孔上全反射，平底孔直径较小，表面各点声压近似相

等。根据惠更斯原理可以把平底孔当作一个新的圆盘源，其起始声压就是入射波在平底孔处的声压探头接收到的平底孔回波声压P f为

(2.29)

式中 Po一探头波源的起始声压；

Fs一探头波源的面积，

Ff一平底孔缺陷的面积，

λ一波长；

χ一平底孔至波源的距离。

由(2.29)式可知，当探测条件(Fs，λ)一定时，平底孔缺陷的回波声压或波高与平底孔面积成正比，与距离平方成反比。任意两个距离直径不同的平底孔回波声压之比为:

二者回波分贝差为：

(2.30)

(1)当Df1=Df2，χ2=2x1时

△12=201gPf1/Pf2=40lgx2/x1=401g2=12

(dB)

这说明平底孔直径一定，距离增加一倍，其

回波下降12dB。

(2)当χ1=x2,Df l=2Df2时

△12=201gPf1/Pf2=401gDf l/Df2=401g2=12(dB)

这说明平底孔距离一定，直径增加一倍，其回波升高12dB。

二、长横孔回波声压

如图2.20所示，当χ≥3N，超声波垂直入射，全反射，长横孔直径较小，长度大于波束截面尺寸时，超声波在长横孔表面的反射就类似予球面波在柱面镜上的反射。以a=χ，f=Df/

4，P1/a=P0Fs/λχ代入(1.54)式，取“+”，并考虑到Df《χ，从而得到长横孔回声压Pf为

(2.31)

式中 Df——长横孔的直径。

由上式可知，探测条件(Fs、λ)一定时，长横孔回波声压与长横孔的直径平方根成正比，与距离的二分之三次方成反比。任意两个距离、直径不同的长横孔回波分贝差为：

(2.32)

(1)当Df1=Df2，χ2=2χ1时

△12=20|gPf l/Pf2=301gx2/x l=301g2=9(dB)

这说明长横孔直径一定，距离增加一倍，其回波下降9dB。

(2)当χ1=X2，Df l=2Df2时

△12=201gP f1/Pf=101gD f1/D f2=101g2=3(dB)

这说明长横孔距离一定，直径增加一倍，其回波上升3dB。

三、短横孔回波声压

短横孔是长度明显小于波束截面尺寸的横孔，设短横孔直径为Df，长度为L fO当z≥3N

时，超声波在短横孔上的反射回波声压为

(2.33)

由上式可知，当探测条件(Fs、λ)一定时，短横孔回波声压与短横孔的长度成正比，与直径的平方根成正比，与距离的平方成反比。任意两个距离、长度和直径不同短横孔的回波分贝差为：

(2.34)

(1)当Df1=Df2，Lf l=Lf2，x2=2χl时

△12=201gPf1/Pf2=401gχ2/χl=401g2=12(dB)

这说明短横孔直径和长度一定，距离增加一倍，其回波下降12dB，与平底孔变化规律相同。

(2)当Df l=Df2，χ1=X2，Lf1=2Lf2时

△12=201gPf1/Pf2=20Lglf1/Lf2=20Lg2=6(dB)

这说明短横孔直径和距离一定，长度增加一倍，其回波上升6dB。

(3)当xl—x2，Isl：If2，Dn=2Dr2

△12=201gPf l/Pf2=101gDf l/Df2=101g2=3(dB)

这说明短横孔长度和距离一定，直径增加一倍，其回波升高3dB。

四、球孔回波声压

如图2.21所示，设球孔直径为Df，超声波垂直入射，全反射，Df足够小。当χ≥3N时，超声波在球孔上的反射就类似于球面波在球面镜上的反射，以a=χ，

f=Df/4．P1/a=P0Fs/λχ代入(1.53)式，取“十”，并考虑到D1<<χ，从而得到球孔回波声压P，为

(2.35)

由上式可知，当探测条件(Fs、λ)一定时，球孔回波声压与球孔的直径成正比，与距离的平方成反比。任意两个直径、距离不同的球孔的回波分贝差为：

(2.36)

这说明球孔直径一定，距离增加一倍，其回波下降12dB，与平底孔变化规律相同。

这说明球孔距离不变，直径增加一倍，其回波上升6dB。

五、大平底面回波声压

如图2.22所示，当x≥3N时。超声波在与波束轴线垂直、表面光洁的大平底面上的反射就是球面波在平面上的反射，其回波声压P B为

(2.37)

由上式可知，当探测条件(Fs、λ)一定时，大平底面的回波声压与距离成反比。两个不同距离的大平底面回波分贝差为：

(2.38)

这说明大平底面距离增加一倍，其圆波下降6dB。

六、圆柱曲底面回波声压

l.实心圆柱体

超声波径向探伤χ≥3N的实心圆柱体，类似于球面波在凹柱曲底面上的反射。以a=χ，f=Df/4，P1/a=P0Fs/λχ代入(1.54)式，取“—”得实心圆柱凹曲底面的回波声压为

(2.39)

这说明实心圆柱体回波声压与大平底面回波声压相同。

2.空心圆柱体

超声波外柱面径向探伤空心圆柱体，χ≥3N，类似于球面波在凸柱面上的反射，如图2.23探头A位置，以a=χ=(D-d)/2，f=d/4，P1/a=P0Fs/λχ代入(1.54)式，并取“+”，得外圆探伤空心圆柱体凸柱曲底面的圆波声压为

(2.40)

上式说明外圆探伤空心圆柱体，其回波声压低于同距离大平底回波声压。因为凸柱面反射波发散。

超声波内孔探伤圆柱体，类似子球面波的在凹柱面上的反射，以a=χ=(D--d)/2，f=D/

4，P1/a=P0F s/λχ代入(1.54)式，取“一”得回波声压为

上式说明内孔探伤圆柱体，其圆波声压大于同距离大平底回波声压，因为凹柱面反射波聚焦。

以上各种规则反射体的回波声压公式均未考虑介质衰减，如果考虑介质衰减，则有

平底孔回波声压： (2.42)

长横孔回波声压： (2.43)

短横孔回波声压： (2.44)

球孔回波声压： (2.45)

大平底与实心圆柱体回波声压：(2.46)

空心圆柱体外圆探伤回波声压： (2.47)

空心圆柱体内孔探伤回波声压：(2.48)

式中χ——反射体至探头的距离，χ≥3N；

Ff——平底孔面积，

lf——短横孔长度；

Df——平底孔或长、短横孔或球孔的直径；

D——空心圆柱体外径；

d——空心圆柱体内径；

a——介质单程衰减系数，dB/mm。

第五节AVG曲线

AVG曲线是描述规则反射体的距离、回波高及当量大小之间关系的曲线。A、V、G是德文距离、增益和大小的字头缩写。英文缩写为DGS。AVG曲线可用于对缺陷定量和灵敏度调整。

AVG曲线有多种类型，据通用性分为通用AVG和实用AVG；据波型不同分为纵波AVG

和横波AVG；据反射体不同分为平底孔AVG和横孔AVG等。

下面以纵波平底孔为例来说明AVG曲线的原理和绘制方法。

一、纵波平底孔AVG曲线

l.通用AVG

当x≥3N，不考虑介质衰减时，大平底面与平底孔回波声压为

当仪器的垂直线性良好时，示波屏上波高与声压成正比。

为了简化计算，对上式进行归一化处理。

若用dB表示相对波高，则有

式中 A——归一化距离；

G——归一化缺陷当量大小；

V1——底波与始波高dB差；

V2——平底孔回波与始波高dB差。

以横坐标表示lgA，纵坐标表示V1、V2，由公式(2.49)式得大平底面回波高与距离之间的关系曲线，如图2.24中B曲线。由公式(2.50)式得一簇不同G值的平底孔回波高与距离之间的关系曲线，如图2.24中的其他曲线。

图中V均为负dB值，说明各底波与平底孔回波均比始波低，需要增益相应dB值，才能达到与始波等高。

在A<3的区域内，由于理论公式不适用，因此该区域的曲线一般不绘出或由实测得到。

由图2.24所示的平底孔缺陷通用AVG曲线可见，当A<1时，由于波的干涉，使平底孔

回波声压趋于复杂化，出现极大极小值。但对于大平底而言,其回波几乎不随距离变化,在这个区域内的入射波可视为平面波的一部分，平均声压为常数。

通用AVG曲线由于采用了归一化距离和归一化缺陷当量大小,因此通用性好，适用不同

规格的探头。

通用AVG曲线可以用来调整探伤灵敏度和对缺陷进行定量，下面举例说明之。

例如，用2.5MHz,φ20mm直探头探测厚为400mm钢制饼形锻件，已知钢中C L=5900m/

s。探伤中在170mm处发现一缺陷，其回波比底波低10dB。(1)如何利用底波调整φ2平底孔灵敏度?(2)求此缺陷的当量平底孔尺寸为多少?

解：(1)调灵敏度

①求N

②求A和G

③查AVG曲线

如图2.24所示，过A=9.4处作垂线交G=0.l线于N，交B线于M，则MN所对应的分

贝值为400ram处大平底与φ2平底孔的回波分贝差：

△=[B]一[φ2]=44dB

④调整φ2灵敏度

(衰减器)衰减50dB，调(增益]使第一次底波B1达基准波高，然后去掉44dB，[衰减器]保留6dB，至此φ2灵敏度调好，即这时400ram处φ2平底孔回波正好达基准波高。

(2)对缺陷定量

①求A f

②求G f

如图2.24所示，过A f=4作垂线与过比M点低10dB的P点所作的水平线相交于Q点，

则Q点对应的G值为所求：G f=O.3。

③求缺陷的当量尺寸

D f=G f D=0.3×20=6(mm)

由以上例子看到，通用AVG曲线虽然通用性较好，但使用中要进行归一化换算，不大方

便，为此引入了适用于特定探头的专用AVG曲线，常称实用AVG曲线。

2.实用AVG曲线

以横坐标表示实际声程，纵坐标表示规则反射体相对波高，用来描述距离、波幅、当量大小之间的关系曲线，称为实用AVG曲线，如图2.25所示。

实用AVG曲线可由以下公式得到。

不同距离的太平底回波dB差

(2.51)

不同距离的不同大小平底孔回波dB差

(2.52)

同距离的大平底与平底孔回波dB差

(2.53)

用以上公式计算绘制实用AVG曲线时，要统一灵敏度基准。例如图2.25是χ=750mm，

φ2平底孔为0dB。

实用AVG曲线中x≥3N部分，可由理论公式计算得到，还可由实测Cs一Ⅱ试块得到或由通用AVG进行转换得到，但χ<3N的区域只能通过实测得到。

由于实用AVG曲线是由特定探头实测和计算得到的，因此实用AVG曲线也只适用于特定探头。在实用AVG曲线中要注明探头的尺寸和频率。

对于垂直线性良好的仪器，波高与声压或正比；将AVG曲线直接绘制在仪器示波屏面板上，称为AVG面板曲线，其纵坐标表示回波高，横坐标表示距离，如图2.26所示。图中虚线表示底波衰减lOdB、20db、30dB以后的波离。

利用AVG面板曲线来调整探伤灵敏度和对探伤中发现的缺陷定量十分方便。

实用AVG曲线同样可用于调整探伤灵敏度和对缺陷定量，而且比通用AVG曲线方便。

例如，用2.5MHz、φ20mm直探头探测饼形钢锻件，锻件厚650mm，探伤中在500mm处发现一缺陷，缺陷渡高比大平底回波低31dB。问：(1)如何利用底波调整02灵敏度?(2)求缺陷的当量大小?

解：(1)灵敏度的调整

如图2.25所示，在χ=650mm处作垂线交φ2曲线于E、交B曲线于F，则EF对应的分

贝值△=48dB就表示该处大平底与φ2平底孔回波分贝差。然后再按前面所述灵敏度的调整

方法进行调整。

(2)对缺陷定量

如图2.25所示，在xf=500mm处作垂线与比F点低31dB的水平线相交于Q点，则Q点

所对应的曲线的当量尺寸φ4就是所求缺陷的当量大小。

二、横波平底孔AVG曲线

1.通用AVG

一般横波声场由有视玻璃中的纵波声场和工件中的横波声场两部分组成，引进假想波源

后则成为连续的横波声场。当x≥3N时，横波声场波束轴线上的声压分布与纵波情况相似。因此纵波平底孔AVG曲线图2.24原则上可用于横波。只不过这时要作如下变换。

式中 a——横波斜探头中的纵波入射角；

β——横波探伤时工件中的横波折射角；

L2——入射点至假想波源的距离，为入射点至波源的距离；

χ——从入射点算起工件中的距离；

D f——平底孔直径；

D s——波源的直径。

横波通用AVG曲线同样通用性好，适用

于不同横波探头。

2.实用AVG曲线

横波实用AVG曲线横坐标表示横波声程，缴坐标表示相对波高的dB值。横波实用AVG使用方便，但只适用于特定探头，如图2.27。图中距离由假想波源算起。

横波实用AVG曲线可由公式(2--40)、(2—41)、(2—42)计算得到，也可根据横波通用AVG曲线转换得到，还可通过实测平底孔三角试块得到。

以上讨沦的平底孔AVG曲线，在锻件探伤中得到应用。但在焊缝探伤中，一般是应用横孔直径一定，描述横孔回波高与距离之间关系的距离——波幅曲线，这种曲线常常通过实测得到，它是实用AVG曲线的特例。

复习题

1.写出圆盘源轴线上的声压公式，并说明式中各参数的物理意义和公式建立的条件。

2.什么是超声场的近场区和近场区长度?近场区长度与哪些因素有关?为什么要尽量避免在近场区探伤定量?

3.什么是超声场的远场区?远场区内波源轴线上的声压变化有何持点?

4.近场区内存在声压极大极小值，为什么薄板试块前几次底波却相差无几?

5.什么是波束指向性?什么是主波束和副波束?为什么副波束总是出现在波源的附近?

6.什么是半扩散角?半扩散角与哪些因素有关?为什么半扩散角以外的缺陷都难以发现?

7.实际声场(固体介质中的脉冲波声场)波源轴线上的声压分布与珲想声场(液体介质中的连续声场)有何不同?为什么?

8.简述超声波纵波声场与横波声场的异同?

*9．试说明聚焦声源辐射的声场的结构特点。分类及应用。

*l0．聚焦声场的焦柱直径及长度与哪些因素有关?如何确定焦柱直径与长度?

11．什么是缺陷的当量尺寸?在超声波探伤中为什么要引进当量的概念?

12.写出大平底、平底孔、长横孔和球孔的回波声压公式，说明式中各参数的物理意义和公式建立的条件。并分别指出它们各与哪些因素有关?

13.什么是AVG曲线?AVG曲线中的A、V、G各代表什么?AVG曲线可分为哪几类?

14.什么是通甩AVG曲线?并举例说明通用AVG曲线的应用和优缺点。

15.什么是实用AVG曲线?并举例说明实用AVG曲线的应用和优缺点。

16.已知钢中CL=5900rn/s，水中CL=1480m/s，求2.5MHz、φ20mm纵波直探头在钢和水中辐射的纵波声场的近场区长度N、半扩散角θo和未扩散区长度b各为多少(钢：42.4mm8.26。，69.5mm，水：168.9mm，2.07。，277mm)。

17.用2.5MHz、φ20mm的纵波直探头水浸探伤钢板，已知水层厚度为20mm，钢中CL=5900m/s，水中CL=1480m/s，求钢中近场长度为多少?(37.4mm)

18.用2.5MHz、φ20mm纵波直探头水浸探伤铝板，已知铝中近场区长度为20mm．铝中CL=6260m/s,水中CL=1480m/s，求水层厚度为多少(84.6mm)

l9.试分别计算2.5MHz、l4×16mm的K1.O和K2.O有机玻璃横波斜探头在钢中的近场区长度。已知有机玻璃中CL=2730m/s，钢中Csz=3230rn/s，探头入射点至实际波源的距离为15mm。(37.4mm，28.9mm)

20.用2.5MHz、φ20mm的直探头探伤厚为150mm的饼形锻件，已知示波屏上同时出现三次底波，其中Bt=50%，衰减器读数为20dB，若不考虑介质衰减，求B1和B3达50％高时衰减器的读数各为多少dB?(26dB，16.5dB)

21.已知x≥3N，200mm处φ2平底孔回波高为24dB，求400mm处φ4平底孔和800mm处φ2平底孔回波高各为多少dB?c24dB，OdB)

22.用2.5MHz、φ20ram直探头测定钢中不同类型反射体的回波高。已知钢中CL=5900m/s，400mm处φ2平底孔回波高12dB。

1求400mm处φ2长横孔和球孔的回波高各为多少dB?(29.5dB，3.5dB)

2求400mm处大平底面的底波高为多少dB?(55.5dB)

声学的基本性质和室内声场

声学基础 第一章声音的基本性质 1.1 声音的产生与传播 声音是人耳通过听觉神经对空气振动的主观感受。 声音产生于物体的振动，例如扬声器的纸盆、拨动的琴弦等等。这些振动的物体称之为声源。声源发声后，必须经过一定的介质才能向外传播。这种介质可以是气体，也可以是液体和固体。在受到声源振动的干扰后，介质的分子也随之发生振动，从而使能量向外传播。但必须指出，介质的分子只是在其未被扰动前的平衡位置附近作来回振动，并没有随声波一起向外移动。介质分子的振动传到人耳时，将引起人耳耳膜的振动，最终通过听觉神经而产生声音的感觉。例如，扬声器的纸盆，当音圈通过交变电流时就会产生振动。这种振动引起邻近空气质点疏密状态的变化，又随即沿着介质依次传向较远的质点，最终到达接收者。可以看出，在声波的传播过程中，空气质点的振动方向与波的传播方向相平行，所以声波是纵波。 扬声器纸盒就相当于上图中的活塞 在空气中，声音就是振动在空气中的传播，我们称这为声波。声波可以在气体、固体、液体中传播，但不能在真空中传播。 1.2 声波的频率、波长与速度 当声波通过弹性介质传播时，介质质点在其平衡位置附近作来回振动。质点完成一次完全振动所经历的时间称为周期，记为T，单位是秒(s)。质点在1秒内完成完全振动的次数称为频率，记作f，单位为赫兹(Hz)，它是周期的倒数，即： f=1/T 介质质点振动的频率即声源振动的频率。频率决定了声音的音调。高频声音是高音调，低频声音是低音调。人耳能够听到的声波的频率范围约在20—20000 Hz之间。低于20Hz的声波称为次声波，高于20000Hz的称为超声波。次声波与超声波都不能使人产生听感觉。 声波在其传播途径上，相邻两个同相位质点之间的距离称为波长，记为λ，单位是米(m)。或者说，波长是声波在每一次完全振动周期中所传播的距离。

超声波特性

2．1 超声波的定义 波是由某一点开始的扰动所引起的，并按预定的方式传播或传输到其他点上。声波是一种弹性机械波。人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反应，能引起人们听觉的机械波频率在20Hz~20KHz ，超声波是频率大于20KHz 的机械波。 在超声波测距系统中，用脉冲激励超声波探头的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动在与其接触的介质中传播，便形成了超声波。 2．2超声波的物理特性 当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质，称为反射波；另一部分能量透射过分界面，在另一个介质内部继续传播，称为折射波，如图2．1所示，图中L 为入射波，S ?为反射横波，L ?为反射纵波，L ?为折射纵波，S ?为折射横波。 L 图2．1超声波的反射、折射及其波形转换 这些物理现象均遵守反射定律、折射定律。除了有纵波的反射波折射波以外，还有横波的反射和折射。 因为声波是借助于传播介质中的质点运动而传播的，其传播方向与其振动方向一致，所以空气中的声波属于纵向振动的弹性机械波。在理想介质中，超声波的波动方程描述方法与电磁波是类似的。描述简谐声波向X 正方向传播的质点位移运动可表示为： ()cos()A A x t kx ω=+ （2.1） 0()ax A x A e -= （2.2） 式中，()A x 为振幅即质点的位移，0A 为常数，ω为角频率，t 为时间，x 为传播距离，2/k πλ=为波数，λ为波长，α为衰减系数。衰减系数与声波所在介质和频率关系： 2af α= （2.3）

式(2．3)中，a 为介质常数，f 为振动频率。 2．2．1超声波的衰减 从理论上讲，超声波衰减主要有三个方面： (1) 由声速扩展引起的衰减 在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面声波的声速不断扩展增大，因此单位面积上的声压随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减。 (2) 由散射引起的衰减 由于实际材料不可能是绝对均匀的，例如材料中外来杂质金属中的第二相析出、晶粒的任意取向等均会导致整个材料声特性阻抗不均，从而引起声的散射。被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去，最终变成热能，这种衰减称为散射衰减。 (3) 由介质的吸收引起的衰减 超声波在介质中传播时，内于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变成热能。同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，以及由于分子驰豫造成的吸收，这些都是介质的吸收现象，这种衰减称为吸收衰减。 扩散衰减仅取决于波的几何形状而与传播介质的性质无关。对于大多数金属和固体介质来说，通常所说的超声波的衰减，即p(衰减系数)表征的衰减仅包括散射衰减和吸收衰减而不包括扩散衰减。因此，空气介质的衰减系数也由两部分组成，可由下式表示： 22222238211()3v P f f K C C C C πηπβρρ=++ (2.4) 式中：K ：热传导系数 f ：超声波频率 η：动力粘滞系数 C ：超声波传播速度 v C ：定容比热 p C ：定压比热 ρ：传播介质密度 式(2．4)中第一项是由内摩擦引起的衰减系数，第二项是由热传导引起的衰减系数，由于后者比前者小得多，故在忽略热传导引起的超声波衰减的情况下，衰减系数可以由下式表示： 223 83f C πηβρ= （2.5） 把C = 2.5）可得： 3223 322283()M f R T β πηργ=?? (2.6) 由式(2．6)可知：温度一定时，η、 ρ、T 均一定，衰减系数与频率的平方成正比；频率越高，衰减的系数就越大，传播的距离也就越短。在实际应用中，一般选

超声波的声场特性

第二章超声波声场的特性 第一节波源辐射声场 超声检测或超声相控阵成像检测设备都是工作于主动检测方式。即由作为生源的超声换能器或阵列超声换能器向被检测物体内发射超声波，然后由接收换能器或阵列换能器接收载有被检测物体内缺陷或组织信息的超声回波信号，再通过信息提取与处理，实现对被检测物体内部缺陷或结构的评估与成像。 2.1 波动方程 物理声学中的波动方程是研究超声（或阵列）换能器的声场特性最基本的原理和方程。若被超声检测的物体为金属材质，大部分区域被认为各点的声速和密度是一致的，被认为是均匀体，只是对于缺陷或组织不均匀区域则是不一致的；若被检测物体为生物体，物体内各点的声速与密度存在起伏，并非均匀一致。本书只讨论在工程应用的超声相控阵成像检测技术，因此仅讨论在均匀介质中的声场。在声速与密度非均匀的介质中，声波传播过程用非均匀介质中声波方程来加以描述。非均匀介质中波动方程为 ?2P?1 C2e2P et2 =1 ρ ?ρ??P（式2-1） 式中，P是声强，ρ是介质密度，c是声波的速度，▽是梯度算子。假设声速和密度较之平均声速c0和平均密度ρ0有微小偏移，即 ρ=ρ0+?ρc=c0+?c 其中?ρ<<ρ0，?c<

声场设计依据数值

1.扩声系统设计指标 根据会议现场的建筑环境，节目类型及音源动态要求，现行的多功能厅，报告厅会议室等，都按照《厅堂扩声系统声学特性指标》 GYJ25-86 的语言兼音乐扩声一级标设计，设计的指标如下： 最大声压级（空场稳态，准峰值）： 125～4000 Hz，平均≥98dB 传输频率特性：125～4000Hz，≤4dB 传声增益：125～4000Hz，≥8dB 声场不均匀度： 100Hz≤8dB， 1000 Hz～6300 Hz≤6dB 噪声级：≤NR25 （扩声系统） 2.专业扩声系统术语解释 由于电子技术的发展，扩声系统中电子设备的频率响应和相位响应处理技术已经达到很高的水平，影响扩声系统还原性能的主要瓶颈是换能器（扬声器）的失真，因此扬声器是决定扩声系统设计指标和品质因素的重点，换言之，扩声系统的预期指标与扬声器的规格参数息息相关。 3.频响范围 频响范围由频率范围与频率响应组成：频率范围 指电子设备最低有效重放信号频率与最高有效重放信 号频率之间的范围，一般采用图表形式表示音箱的相对幅 度和频率的函数关系（频率响应图）。左图是某音箱理想 的频率范围： 60Hz～20KHz@-3dB；频率响应指将一个恒 压输出的音频信号与系统相连接时，音箱产生的声压随频 率变化而发生增大或衰减，相位随频率发生变化的现象， 这种声压，相位频率的相关变化关系称为频率响应，单位 为分贝（dB）。

声压与相位滞后随频率变化的曲线称为频率特性。这是考察音箱性能优劣的一个重要指标，它与音箱的性价有着直接的关系，其分贝值越小说明音箱的频响曲线越平坦、失真越小、性能越高。人耳可分辨的频响不平坦程度因人及节目内容而异，大多数人对同一节目的频响变化如果小于 2～4dB就不易觉察。 选择音箱时应是扩音系统频响范围越大越好，但也必须是平坦的，两端衰减量不大于 3dB才有意义。 声压Sound Pressure：有声波产生时，传播媒质中的压力与静压的差值。单位为帕斯卡，简称帕（Pa）。 声功率：单位时间内通过某一面积的声能，单位为W（瓦）。 声压级Sound Pressure Level：声压与基准声压的比值以10为底的对数乘以2，通常以分贝（dB）为单位，基准声压必须指明。功放的功率Power：功放的单位是W（瓦），容量的大小与重放信号的大小、频率范围、负载阻抗、以及可承受的失真电平有关。为了制定功率的测试标准，联邦贸易委员会（FTC）颁布了以输入信号为20Hz～20KHz，失真低于1%的长时间测试标准，一种是使用“单音短脉冲触发”的方法在以下频率进行： 20Hz-0.05秒脉冲信号

第2章 超声波发射声场与规则反射体的回波声压

第二章超声波发射声场与规则 反射体的回波声压 超声波探头(波源)发射的超声场，具有特殊的结构。只有当缺陷位于超声场内时，才有有可能被发现。 由于液体介质中的声压可以进行线性叠加，并且测试比较方便。因此对声场的理论分析研究常常从液体介质入手，然后在一定条件下过渡到固体介质。 又由于实际探伤中广泛应用反射法，因此本章在讨论了超声波发射声场以后，还讨论了各种规则反射体的回波声压。 第一节纵波发射声场 一、圆盘波源辐射的纵波声场 1.波源轴线上声压分布 在不考虑介质衰减的条件下，图2.1所示的液体介质中圆盘源上一点波源ds辐射的球面波在波源轴线上Q点引起的声压为 式中 P o——波源的起始声压； d s——点波源的面积； λ——波长； r——点波源至Q点的距离； κ———波数，κ=ω/c=2π/λ； ω——圆频率，ω=2πf；‘ t——时间。 根据波的迭加原理，作活塞振动的圆盘波 源各点波源在轴线上Q点引起的声压可以线性迭加，所以对整个波源面积积分就可以得到波源轴线上的任意一点声压为 其声压幅值为 (2.1) 式中 R s—波源半径； χ——轴线上Q点至波源的距离。 上述声压公式比较复杂，使用不便，特作如下简化。 当χ≥2R，时，根据牛顿二项式将(2.1)式 简化为 (2.2) 根据sinθ≈θ(θ很小时)上式可简化为 (2.3) 式中 Fs——波源面积， (2.3)式表明，当χ≥3R；/A时，圆盘源轴线上的声压与距离成反比，与波源面积成正比。 波源轴线上的声压随距离变化的情况如图2.2所示。

(1)近场区：波源附近由于波的干涉而出现一系列声压极大极小值的区域，称为超声场的近场区，又叫菲涅耳区。近场区声压分布不均，是由于波源各点至轴线上某点的距离不同，存在波程差，互相迭加时存在位相差而互相干涉，使某些地方声压互相加强，另一些地方互相减弱，于是就出现声压极大极小值的点。 波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度，用N表示。 声压P有极大值，化简得极大值对应的距 离为 式中n=O、1、2、3、……<(D s-一x)/2λ的正整数，共有n+1个极大值，其中n=0为最后一个极大值。因此近场长度为 (2.4) 声压P有极小值，化简得极小值对应的距离为 式中，n=0、1、2、3、……N的区域称为远场区，又叫富琅和费区。远场区轴线上的声压随距离增加单调减少。当x>3N时，声压与距离成反比，近似球面波的规律，P=PoFs/λx．这是因为距离χ足够大时，波源各点至轴线上某一点的波程差很小，引起的相位差也很小，这样干涉现象可略去不计。所以远场区轴线上不会出现声压极大极小值。 2.波束指向性和半扩散角 至波源充分远处任意一点的声压如图2.3所示。 点波源d s在至波源距离充分远处任意一点M(r，O)处引起的声压为 整个圆盘源在点M(r，θ)处引起的总声压幅值为 (2.5) 式中 r——点M(r，θ)至波源中心的距离； θ——r与波源轴线的夹角；

一个声场的基本设计

声场设计 一个声场的基本设计应包括隔声处理，现场噪声的降低，建筑结构的合理要求，声均匀度的实现，声颤动、聚焦、共振、反馈等问题的解决，室内混响的正确计算 建声原则 混响合理，声音扩散性好，没有声聚焦、没有可闻的振动噪声、没有死声点 室内装修注意事项 色调不能导致会议或演出时太昏暗 避免扩声区域内出现中空较大或支撑较差的腔体结构 免大面积玻璃窗，不要将石稿天花板直接安装在铝合金槽里 室内声学特性的基本要求 具有合适的响度: 响度 礼堂（以语言为主）大于85dB 歌厅（音乐厅）大于103dB 迪厅大于110dB 会议室大于80dB 声能分布均匀: 在观众席的各个座位上听到的声音响度应比较均匀。通过音质设计，应该能使观众席各个区域的声压级差别不太大，室内声场不均匀度应控制在高低约3dB之内 满足信噪比要求: 噪声对人们的正常听觉产生干扰和掩蔽作用。不同用途的室内听音环境，其充许的噪声级不尽相同，通常在室内最小声压级的位置上，信噪比应该大于30dB 保证室内各处频率响应均衡: 室内音响系统应保证各处频率响应均衡，要求125--4000HZ内起伏为6--10dB，100--8000HZ内起伏为10--15dB。如果室内存在声聚焦、死声点、驻波、声共振等声学缺陷，就会破坏频率均衡 厅堂的建声合理比例选择合适的自然混响时间 L（长）W（宽）H（高）礼堂（以语言为主）1.2-1.5S 3.10 1.30 1.00 音乐厅1.8-2.4S 3.90 2.70 1.00 中小歌厅0.7-1.2S 会议室0.5-0.8S 混响时间的计算公式 a平均---室内的平均吸声系数 S ---声场的内部总面积 M ---声能衰减系数（0.0015） T ---声场混响时间 V ---声场的内容积 S1---Sn ---声场的内表面积 方案设计时参考的有关标准 IEC914—会议系统———电子及音频设备标准 音频会议扩声及视频显示系统依照中华人民共和国国家行业标准 GYJ25-86《厅堂扩声系统的声学特性指标要求》

扬声器的安放位置及声场的设计

扬声器的安放位置及声场的设计 扬声器最理想的安放位置应该是覆盖区内的任何位置都能听到相同的响度和清晰度的音响。因此必须注意，根椐建筑物的功能、体型、空间高度及布局等因素，可分为集中供声、分散供声和分供声三种供声方案。良好的公共广播工程应能有效地控制扬声器的声场分布鞋和满足投射距离的声压级要求扬声器系统：扬声器系统要求整个系统的匹配，同时其位置的选择也要切合实际。礼堂、剧场、歌舞厅音色，而扬声器一般用大功率音箱：而公共广播系统，由于它对音色要求不高，一般用3W-6W在天花喇叭即好。公共广播系统设通常都从声扬开始（即扬声器的放置位置），然后再向后推动功率放大器、声处理系统，调音台、直至筒和其他音源。这种逐步向后、推进的设计步骤是十分必然的。因为声场设计是满足系统功能和音响效果的基础，它涉及扬声器系统进行功率和信号途径等。只有确定扬声器系统才能进行功率放大器驱劝功率的计算和驱动信号途径的确定，然后再根据驱动功率的分配方案进一步确定信号处理方案和调音台的造型等。声场声场设设是公共广播系统的基础，涉及系统最终的音响效果，但也是非常复杂繁琐的工作。由于计算机技术飞跃发展，现在可采用以上的版本的声学软件工具进行计算，最终可获得满足预期要求的声场设计报告。声扬设计过程可能需要反复多次才能达到要求。（图1）是声场设计的流程式图.图1 声扬设计流程图a) 集中供声顾名思议是把一组扬声器集中安装在一个固定位置上的供声系统。对于舞台剧场或多功能厅来说，扬声器组通常安装在靠自然声源的舞台台上方左右两侧（三路扬声器系统可分为左右三组成安装）如图2和图3所示。由于声音来自舞台方向，与观众的视听方向一致，听感自然。为使全部观众区声场均匀，扬声器应置于较高的信置。为克服前几排观众区“头顶感”声像，可在台口两侧或台唇部位设置若干小功率辅助扬声器，利用哈斯效应解决前区观众声像一致的问题。对四面均有观众区的大型体育馆或大型厅堂，扬声器系统通常以一种“声塔”形式的阵列组合吊在大厅中央。利用扬声器指向特性即偏轴方向的声压随角增大而逐渐减少的特性声场达到互补的结果。如果扬声器位置得当，可使声场更为均匀，如图5所示。集中供声的优点是声像一致，听感自然，扬声器之间的声波干扰小，声音清晰度高。缺点是对于形状复杂，又有多层楼厅和眺台的厅堂，声场不易做得均匀，狭长的厅堂，由于投身距离远，后座观众区的声压级可能会偏低。为此，可利用强指向性的远投射扬声器来增强后部观众区的声压级以及在眺台下面的声影区适当增设几个补声扬声器，增加这部分区域的直达声和声压级，抑制混响声的影响，提高声音的清晰度。b) 分散式供声对于无法采用集中供声的大型或狭长高度又不高（低于6米）或空间结构可分为几部分的大厅，以及对于难以获得好的语言清晰度的混响时间较长的大型礼堂，可采用分散式的供声。分散式供声有两种形式：

EASE声场分析说明教学提纲

E A S E声场分析说明

声场分析 计算机模拟声场分析 (3) 1. EASE 4.3电脑设计系统简介 (3) 2. 分析依据: (3) 3. 电视电话会议室声场分析 (5) 4. 电视电话会议室分析结果 (12) 5. 作战指挥室声场分析 (13) 6. 作战指挥室分析结果 (20)

计算机模拟声场分析 为使武警水电会场声学方案设计更好地符合实际的效果，运用当代先进的计算机模拟技术，根据实际尺寸建立计算机建筑模型，对方案设计的音响效果进行计算机模拟验证，以确认设计的合理性，以及能满足技术要求，达到预期效果。 设计运用的是著名的声场分析软件——EASE4.3。 1.EASE 4.3电脑设计系统简介 EASE（全称ELECHO ACOUSTIC SIMNLATOR FOR ENGINEER）是由德国人在九十年代中期开发的通用数据库，现已成为世界上最为广泛使用的声学设计软件。 EASE是采用计算机CAD技术进行模拟声场的模型建设、声学设计、声学计算与声学分析的综合设计软件。 我们现在使用的是EASE 4.3版本，主要用它进行模拟验算的声学参数有： ?声场声压的分布——对声场的均匀度、频率响应及分布进行分析计算?声场清晰度的计算——对声音清晰度的分析计算 2.分析依据: 武警水电电视电话会议室以及作战指挥室扩声系统属厅堂扩声。声学特性指标采用广播电影电视部部分标准GYJ25-86<<厅堂电声系统声学特性指标>>中语言和音乐兼用的电声系统二级（语言扩声一级）声学特性指标。

RASTI----快速语言传输指数（rapid speech transmission index）是语言传输指数法（STI法）在某些条件下的一种简化形式，用来测定与可懂度有关的语言传输质量。在EASE中0.75～1（含0.75）为优,0.6～0.75（含 0.6）为良好,0.45～0.6（含0.6）为一般,0.3～0.45（含0.3）为较差,小于0.3为差.一般大于0.5为好. ALC-----辅音清晰度损失百分比（%ALCONS）是一种语言可懂度的度量方法。在EASE中0%～3.3%为优,3.3%～6.6%为良好,6.6%～14.7%为一 般,14.7%～33.6%为较差,33.6%以上为差.一般小于10%为好. 说明：以下六种图，前两种图表示设计者的音箱布置方式，后三种图是计算机模拟分析的结果。设计选择的音箱型号是软件数据库所具备的，所以其模拟分析的结果是有一定参考价值的。 建筑模型图——表示音箱的设计布置方式； 音箱声向图——表示音箱声线主轴所指向的位置；

声场种类和参数

声场 消声室—房间四周均有吸声结构，因此传向各个方向的声音不会被反射。若一个房间具备自由场的条件，则会有完美的吸声效果。 消声末端—经常在高效吸声风管末端测试消声效果。 房间平均吸声系数（a）—将一个房间分成几个表面区域，单位为ft2或m2，全部房间的吸声系数，单位为赛宾或公制赛宾。 辐射─指声音以一个相当小的立体角度发射的现象。当频率增加时，这种特性更加准确。 散射场—在此环境中，各个位置的声压级相同，各个方向的声能流量也相等。 指向性因数（DI）—在远场中的任一个给定方向的声压级和平均声压级之间的差别。 从一个敞开的、排风管或风管发出的噪声，随测点和风管中心线的夹角而变化。以上所示数据为当量直径或直径约为10 ft (3.05m)的管道或风管发出的噪声。 扩散—在一个自由声场中，声波的传播使远场中声源的声压级随着离声源的距离越远而越低。 远场—声场的一部分，声压随距声源距离的增加而减少。距离每增加一倍，声压级相应减少约6dB。 自由场—指在一种环境中，声波在没有障碍物或反射的情况下，向各个方向传播。如：消声室。 硬质房间—对声音的吸收率非常低，而反射率相当高的房间。 反平方定律—在远场和自由场的条件下，声音密度的变化与距声源的距离的平方成反比。 两个远场点之间声压级的差如下所示： Lp2 = Lp1 - 20 log(R2 / R1) （B-1） 其中： Lp1 = 位置1的声压级，dB； Lp2 = 位置2的声压级，dB； R1 = 从声源到点1的距离； R2 = 从声源到点2的距离。（R1、R2单位必须相同） 公制Sabins—参看“总吸声值”。 近场—在声源和远场之间，距声源较近的位置。近场的典型特点是：只要测点与声源间距有微小变化，声压就会变化很大。 敞开的场—在一种环境里，声源可被固定在一个声学反射平面上，在无障碍物和反射的情况下，声音以半球形的形式传播。例：一间带有硬质（反射）地板的消声室；具有平坦地面而无障碍物的室外环境。 混响室—房间经过特殊处理，其四周具有高度反射性，以使声场尽可能地扩散，具有很长的混响时间。混响时间—在一个房间中，当一个稳定的声源停止发声后，平均声压级降低60dB所需要的时间。可采用如下方法估算： T = 0.049（V / A）英制单位（B-2）

超声成像新技术的物理声学基础及其应用(终审稿)

超声成像新技术的物理声学基础及其应用 Pleasure Group Office【T985AB-B866SYT-B182C-BS682T-STT18】

超声成像新技术的物理声学基础及其应用 90年代以来，由于电子计算机容量和功能的提高，数字化技术的引入，以及各种信号处理、图像处理和控制技术的应用，医学超声成像新技术、新设备、新方法层出不穷。本文就腹部超声诊断中常用的主要新技术的物理声学基础、临床应用现状及发展前景等问题作一简要阐述。 1?与提高图像质量有关的超声成像新技术 频谱合成成像频谱合成成像即频率转换技术 (frequency convert technology,FCT)[1]。组织在超声声场的作用下，当超声波满足小振幅条件时，声源与其声场之间为线性关系，即无论在声场的任何距离 上，介质质点都重复声源的振动规律，但当超声波不满足小振幅条件，而具有一 定振幅(有限振幅，达到有限振幅的波为有限振幅波)时，随传播距离的增加，由 于有限振幅波的传播速度不是常数，而与介质的非线性参量及质点的振速有关， 致使波形发生畸变，波形的畸变必然伴随谐波的产生。当声源发射的不是单频的 超声波，而是以f0为主频、具有一定频宽的超声脉冲时，经声场介质作用后，将产生具有多重频率的回波信号，且其频谱与声源发射者不同，即实现了频率转 换。从成像的观点来说，回波信号中频率成分利用得越充分，图像质量就越好。 利用超宽频探头、数字化处理和超大容量计算机，可将回波信号分解为多个频带 进行并行处理，然后再按频谱合成为最后的信号，因此亦称为频谱合成成像，由 此获得的图像分辨率更高，对比度更大，噪声伪像更低。 二次谐波成像 1995年以来，二次谐波成像 (second harmonic imaging,SHI)技术逐步趋于成熟，近几年开始用于心外脏器和组织的检查[2]。应用于临床的谐波成像分自然组织谐波成像

第二章 超声波发射声场与规则反射体的回波声压

第二章超声波发射声场与规则反射体的回波声压 By adan 超声波探头(波源)发射的超声场，具有特殊的结构。只有当缺陷位于超声场内时，才有有可能被发现。 由于液体介质中的声压可以进行线性叠加，并且测试比较方便。因此对声场的理论分析研究常常从液体介质入手，然后在一定条件下过渡到固体介质。 又由于实际探伤中广泛应用反射法，因此本章在讨论了超声波发射声场以后，还讨论了各种规则反射体的回波声压。 第一节纵波发射声场 一、圆盘波源辐射的纵波声场 1.波源轴线上声压分布 在不考虑介质衰减的条件下，图2.1所示的液体介质中圆盘源上一点波源ds辐射的球面波在波源轴线上Q点引起的声压为 式中 P o——波源的起始声压； d s——点波源的面积； λ——波长； r——点波源至Q点的距离； κ———波数，κ=ω/c=2π/λ； ω——圆频率，ω=2πf；‘ t——时间。 根据波的迭加原理，作活塞振动的圆盘波 源各点波源在轴线上Q点引起的声压可以线性迭加，所以对整个波源面积积分就可以得到波源轴线上的任意一点声压为 其声压幅值为 (2.1) 式中 R s—波源半径； χ——轴线上Q点至波源的距离。 上述声压公式比较复杂，使用不便，特作如下简化。 当χ≥2R，时，根据牛顿二项式将(2.1)式 简化为 (2.2) 根据sinθ≈θ(θ很小时)上式可简化为 (2.3) 式中 Fs——波源面积， (2.3)式表明，当χ≥3R；/A时，圆盘源轴线上的声压与距离成反比，与波源面积成正比。 波源轴线上的声压随距离变化的情况如图2.2所示。 (1)近场区：波源附近由于波的干涉而出现一系列声压极大极小值的区域，称为超声场的近场区，又叫菲涅耳区。近场区声压分布不均，是由于波源各点至轴线上某点的距离不同，存在波程差，互相迭加时存在位相差而互相干涉，使某些地方声压互相加强，另一些地方互相减弱，于是就出现声压极大极小值的点。 波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度，用N表示。 声压P有极大值，化简得极大值对应的距 离为 式中n=O、1、2、3、……<(D s-一x)/2λ的正整数，共有n+1个极大值，其中n=0为最后一个极大值。因此近场长度为 (2.4) 声压P有极小值，化简得极小值对应的距离为

超声接收换能器

超声换能器 换能器接收器 外来声波作用在换能器的振动面上，从而使换能器的机械振动系统发生振动，借助于某种物理效应，引起换能器储能元件中的电场或磁场发生相应的变化，从而引起换能器的电输出产生一个相应于声信号的电压和电流 对于接受型换能器要求换能器有大的输出功率和高的灵敏度。 接收换能器主要性能指标： 1 工作频率：对被动式接收换能器而言它的工作频率是一个较宽的频带，同时要求换能器自身的谐振基频要比频带的最高频率还要高，以保证换能器有平坦的接收响应。 2 机电转换系数n和机电耦合系数k: 3 阻抗特性 换能器作为一机电四端网络，它具有一定的特性阻抗和传输常数。由于换能器在电路上要与发射机的末级回路和接收机的输入电路相匹配，所以在换能器设计时计算出换能器的等效输入阻抗是十分重要的。 4 品质因素Q 常用电路系统的品质因素Q e和机械系统的品质因素Q m来共同描写换能器的品质因素。 换能器的Q值与其工作频带宽度和传输能量的效率有密切的关系，Q值的大小不仅与换能器的材料、结构、机械损耗的大小有关，还与辐射声阻抗有关。所以同一个换能器处于不同介质的Q值是不相同的。 5 方向特性0 对于一个接收换能器，它的方向特性曲线的尖锐程度决定了其探索空间方向角的范围。所以超声换能器的方向特性的好坏直接关系到超声设备的作用距离。 6 频率特性 换能器的频率特性是指换能器的一些重要参数指标随工作频率变化的特性。例如一接收换能器的接收灵敏度随工作频率变化的特性。 7 灵敏度（接收声场的响应） 这是对接收换能器最重要的一个指标，又有电压灵敏度、电流灵敏度之分。所谓接收换能器的自由场电压灵敏度，就是指接收换能器的输出电压与在声场中引入换能器之前该点的自由声场声压的比值 式中，U（ω）表示接收换能器电负载上所产生的电压（V）；P f(ω)表示接收换能器接受面处自由声场的声压（μPa），有时也用dB表示

超声波

Ultrasound A Deep Thermal & Non-thermal Mechanical Modality CAI BIN

?对于一位前臂开刀半年后产生黏连性疤痕组织的病患，下列超声波治疗参数的组合，何着最为合适？ ?A. 間歇性：1MHZ ；0.5watt/cm2 ?B. 間歇性：1MHZ ；1-2 watt/cm2 ?C. 連續性：3MHZ ；0.5 watt/cm2 ?D. 連續性：3MHZ ；1-2 watt/cm2

纲要 ?基础部分?临床部分

What is Ultrasound? ?Located in the Acoustical Spectrum ?May be used for diagnostic imaging, therapeutic tissue healing, or tissue destruction ?Thermal & Non-thermal effects ?We use it for therapeutic effects ?Can deliver medicine to subcutaneous tissues (phonophoresis)

超声波 ?超声波是指频率在20KHz以上，不能引起正常人听觉反应(16~20KHz)的机械振动波 ?Therapeutic ultrasound waves range from 750,000 to 3,000,000 Hz (0.75 to 3 MHz)?近年多采用1MHz、3MHz超声

物理特性?超声波与声波的本质 相同，都是物体的机 械振动在弹性介质中 传播所形成的机械振 动波。 ?在传播时产生一种疏 密交替的弹性纵波， 具有一定的方向性；

超声三维声场特性自动测量系统

超声声输出测量 概述 Array ATT-2系列超声声场分 布测量系统包括ATT-2D（测 量诊断超声）和ATT-2H（测 量治疗超声）两种型号，是 根据相关标准设计的针对 检测机构使用的声场测试 系统，该系统可以根据检测 机构的工作情况选择相应 本图供参考，具体以实物为准 的功能模块，并可以方便添 加相关功能模块，测量相应的检测设备。 ATT-2测量系统包含以下几个部分： 1、水箱和机械控制系统（ATT-2D/H共用） 2、软件（分ATT-2Ds和ATT-2Hs两种） 3、水听器（可根据客户需求选择） ATT-2D能够根据GB16846-1997，IEC61157，IEC60601-2-37，NEMA UD2和NEMA UD3要求进行诊断超声，多普勒胎心仪和TCD（经颅多普勒）相关参数的测量，可以提供完整的测量GB16846-1997，IEC61157，IEC60601-2-37，NEMA UD2和NEMA UD3中所要求的声输出参数，包括了CW模式，PW模式，M模式，B模式，彩色模式等各种模式。 ATT-2H能够根据GB/T 19890-2005，IEC60601-2-5和IEC61689要求进行HIFU等超声治疗设备相关参数的测量，可以提供完整的测量GB/T 19890-2005，IEC60601-2-5和IEC61689中所要求的声输出参数。

ATT-2系列设计特点 ??采用独特的测试软件和硬件设施双重保险，有效防止水听器与超声换能器、测量系统机械组织碰撞所导致的仪器损坏 ??测试软件使用先进的NI LABVIEW编写，有非常强的扩展性，方便更新和升级。ATT-2系列的外部控制程序可以通过以太网进行连接，自定义测试步骤，提供客户自己设置测试流程的功能，完全做到按照客户测试需求而进行各种声输出相关测量 ??兼容多个品牌多个型号的水听器，采用多种扫描测量模式：不同能量特性声束可以在水平和垂直方向进行扫描，同时可以对水听器和超声换能器进行角度调节 ??可以通过控制软件进行超声换能器的角度调节，使用非常方便 ??水箱系统的稳定性直接影响最终结果的稳定性。当声束水平发射时，ATT-2系列系统的超声换能器和水听器均有专门的夹具，从而可以稳定的放置，避免测量过程中因震动带来的不良影响 ??考虑到实际中测量需求，ATT-2在水听器和超声换能器后方采用吸声材料，避免回波的影响 ??可以根据客户的不同需求，进行相应的功能的定制，例如选择多种水听器，特殊的测量模式等功能（选配） ??可以根据客户不同工作需求，选择诊断超声声输出测量功能模块或者治疗类声输出测量功能模块。同时可以在购买部分功能的基础上，以后添加其他的功能模块，有丰富的扩展性

EASE声场分析说明

声场分析 计算机模拟声场分析 (2) 1. EASE 4.3电脑设计系统简介 (2) 2. 分析依据: (2) 3. 电视电话会议室声场分析 (4) 4. 电视电话会议室分析结果 (11) 5. 作战指挥室声场分析 (12) 6. 作战指挥室分析结果 (19)

计算机模拟声场分析 为使武警水电会场声学方案设计更好地符合实际的效果，运用当代先进的计算机模拟技术，根据实际尺寸建立计算机建筑模型，对方案设计的音响效果进行计算机模拟验证，以确认设计的合理性，以及能满足技术要求，达到预期效果。 设计运用的是著名的声场分析软件——EASE4.3。 1.EASE 4.3电脑设计系统简介 EASE（全称ELECHO ACOUSTIC SIMNLATOR FOR ENGINEER）是由德国人在九十年代中期开发的通用数据库，现已成为世界上最为广泛使用的声学设计软件。 EASE是采用计算机CAD技术进行模拟声场的模型建设、声学设计、声学计算与声学分析的综合设计软件。 我们现在使用的是EASE 4.3版本，主要用它进行模拟验算的声学参数有： ?声场声压的分布——对声场的均匀度、频率响应及分布进行分析计算 ?声场清晰度的计算——对声音清晰度的分析计算 2.分析依据: 武警水电电视电话会议室以及作战指挥室扩声系统属厅堂扩声。声学特性指标采用广播电影电视部部分标准GYJ25-86<<厅堂电声系统声学特性指标>>中语言和音乐兼用的电声系统二级（语言扩声一级）声学特性指标。分类特性语言和音乐兼用的电声系统二级(语言扩声一级) 最大声压级 (空场稳 250-4000Hz范围内平均声压级大于或等于98dB 态准峰值声压级dB)

超声波问答题

问答题 1.将超声波直探头置于IIW1试块侧面上探测100mm距离的底波,如 下图所示在第一次底波与第二次底波之间前两个迟到波各是什么 波型? 2．何谓超声波？它有哪些重要特性？ 答：频率高于20000Hz的机械波称为超声波。重要特性：①超声波 可定向发射，在介质中沿直线传播且具有良好的指向性。 ②超声波的能量高。③超声波在界面上能产生反射，折射和波型转 换。④超声波穿透能力强。 3．产生超声波的必要条件是什么？ 答：①要有作超声振动的波源（如探头中的晶片）。②要有能传播 超声振动的弹性介质（如受检工件或试块）。 4.在棒材圆周面上进行超声探伤时,第一次底波与第二次底波之间可见到有 两个迟到波,如下图所示,请指出这两个迟到波各是什么波型? （前面为L-L-L波,后面为L-S-L波） 5．一个探头的标记为5I 20SJ 20DJ，试说明其中数字和字母的含义？ 答：5：频率5MHZ；I：压电晶片材料碘酸锂单晶；20：圆晶片直径20mm；SJ： 水浸探头；20DJ：点聚焦，水中焦距20mm Array 6.画出下图中不同情况 下声波的收敛或发散的 情况: （答案从略） 7.在下图中画出超声纵波从钛合金中以45°斜入射到钢中的反射与折射情况: C钛L=6150m/s C钛S=3150m/s C钢L=5850m/s C钢S=3200m/s（答案从略） 8．液体中为什么只能传播纵波，不能传播横波？ 答：凡能承受拉伸或压缩应力的介质都能传播纵波，液体虽然不能承受拉伸应力， 但能承受压应力而产生容积变化，故液体介质可传播纵波。介质传播横波时，介 质质点受到交变的剪切应力作用，液体介质不能承受剪切应力，故横波不能在液 体中传播。 9．简述影响超声波在介质中传播速度的因素有哪些？答：①超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量和介质的密度有关。对一定的介质，弹性模量和密度为常数。不同介质，声速不同。②超声波波型不同时，声速也不一样。同一介质，传播不同类型声波时，声速也不相同。③介质尺寸大小及介质温度对声速也有一定影响。 10．简述波的叠加原理？答：①当几列波在同一介质中传播并相遇时，相遇处质点的振动是各列波引起的分振动的合成，任一时刻该质点的位移是各列波引起的分位移的矢量和。②相遇后的各列波仍保持它们各自原有的特性（频率、波长、振幅、振动方向等）不变，并按照各自原来的传播方向继续前进。③波的叠加原理描述了波的独立性，及质点受到几个波同时作用时的振动的叠加性。 11．何谓超声波声场？超声波声场的特征量有哪些？答：充满超声波的空间或超声振动所波及的部分介质，称为超

超声换能器及超声波传播仿真软件PZFlex

PZFlex软件简介 PZFlex 是专为压电和超声应用而开发的全球领先 的波传播软件包。经过二十年的开发，我们完善了PZFlex 的功能，使得我们能够为换能器、超声成像和无损检测的设计开发提供完整的解决方案。PZFlex 与声纳、医学成像和无损检测研究结构紧密合作，并获 得大量的数据验证，它可以帮助你快速而经济地克服研发中遇到的技术难题。 PZFlex 的开发源至于美国政府的大规模超声、次声波仿真项目(Flex Code)，是为了应对全面禁止核试验条约的限制而开发的核爆计算机模拟代码。PZFlex 采用了大量的先进理论、算法和并行技术，可用于求解数千万单元的模型。 在过去的10年里，医疗诊断超声波设备的辅助开发一直是 PZFlex 的重点，在1999年，SPFlex 模块的开发成功更加促进了超声治疗行业的发展，PZFlex 实现了对穿透不同介质，例如：空气、水、弹性材料、非线性生物组织、复合材料和各向异性材料的超声波的精确建模。现在的PZFlex 展现给您的是更加全面、强大的功能，它也正被快速地拓展到更广泛的行业应用中，从换能器声头设计到各种超声应用。 PZFlex 采用基于有限元的时域显式积分方法，同时具备显式‐隐式求解器。PZFlex 采用了最新的并行计算技术。 PZFlex 计算模型可以是2‐D 平面应变，2‐D 轴对称（柱坐标系下），或者3‐D 。PZFlex 的材料模型可以是个各向同性弹性材料、各向异性弹性材料、压电材料、非线性材料、粘弹性材料、瑞利阻尼及牛顿粘度模型。在材料 模型中纵向体积弹性模量和横向剪切阻尼也可以指定。通常情况下，PZFlex 在普通PC 机上计算2‐D 模型（10000单元），用时不到一分钟时间，计算3‐D （数百万单元）也仅需几个小时。PZFlex 采用了all ‐in ‐memory 算法，计算模型规模的限制仅仅取决于计算机内存的大小。 PZFlex 的输出包括时间历程或场变量快照，例如电压、电荷、位移、速度、压强、应力、 PZFlex 在计算的同时同步存储计算数据，以 便后续的后处理调用。不同场的输出数据结构都是非常简单的，因此用户可以非常容易地进行 超声换能器及超声波传播仿真软件--PZFlex ?

超声相控阵检测教材 第二章 超声波的声场特性

第二章超声波声场的特性 2.1 波源辐射声场 超声检测或超声相控阵成像检测设备都是工作于主动检测方式。即由作为生源的超声换能器或阵列超声换能器向被检测物体内发射超声波，然后由接收换能器或阵列换能器接收载有被检测物体内缺陷或组织信息的超声回波信号，再通过信息提取与处理，实现对被检测物体内部缺陷或结构的评估与成像。 2.1.1 波动方程 物理声学中的波动方程是研究超声（或阵列）换能器的声场特性最基本的原理和方程。若被超声检测的物体为金属材质，大部分区域被认为各点的声速和密度是一致的，被认为是均匀体，只是对于缺陷或组织不均匀区域则是不一致的；若被检测物体为生物体，物体内各点的声速与密度存在起伏，并非均匀一致。本书只讨论在工程应用的超声相控阵成像检测技术，因此仅讨论在均匀介质中的声场。在声速与密度非均匀的介质中，声波传播过程用非均匀介质中声波方程来加以描述。非均匀介质中波动方程为 （式2-1） 式中，P是声强，是介质密度，c是声波的速度，▽是梯度算子。 假设声速和密度较之平均声速和平均密度有微小偏移，即 其中<<，<<，那么，式（2-1）可以表示为 （式2-2） 式（2-2）等号右边两项称为散射项，有时也称为有源项。就是说，当介质密度及声速非均匀时，则介质中有等效生源分布；但是，当介质均匀时，介质中没有等效声源分布，右边两项为0。因此，可以得到理想流体介质中的波动方程 （式2-3） 上面三个公式是研究相控阵超声成像的理论基础，通常由式（2-3）触发来求解换能器或阵

列换能器的辐射声场分布，而式（2-2）常用于描述非均匀介质中的散射场问题。 2.1.2 基于空间冲激响应的脉冲场模型 在无损检测领域中，多采用脉冲，所用的换能器或换能阵通常也是宽带的，因此以下内容将对换能器或阵的脉冲声场进行讨论。 图2-1 单源换能器及其所在坐标系统 如图2-1所示，假设一个任意形状的换能器嵌在无限大的刚性障板上，置于均匀介质中，那么该换能器的辐射声场可以通过求解均匀介质中的波动方程（2-3）来求得。通常辐射声场可以很容易通过速度势函数ψ来求解，在均匀介质中，速度势函数ψ满足如下波动方程 （式2-4） 那么，换能器在空间任一点的声压为 （式2-5） 式中，代表了场点在空间中的位置。 假设换能器是活塞式声源，即面上各点的振动幅值和相位都是相同的，那么任意激励在场点产生的速度势函数可由下式得出 （式2-6）