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超声脉冲波的声场

来源: | 发布日期:2022-06-07

充满超声波的空间为超声波场。由于声场特性与超声波检测结果密切相关,所以了解声场的特性很重要。脉冲波可以看成由多个正弦(余弦)波叠加而成,就可以通过研究各种频率的正弦波声场,其中每种频率的超声波决定一个声场,总的声场为各种频率声场的合成。脉冲波是持续时间很短的波动,所以由同一声源表面上各个单一点源辐射的脉冲子波到达声场某一点的时间可能不同。所以它们可能不产生干涉或者只产生不完全的干涉,且脉冲宽度越窄,干涉越小。因此,与连续波相比,脉冲波的空间干涉现象减弱了,声场中声压的波动较小。

研究超声波在介质中的传播特性时,如果涉及到的问题与上述脉冲波及其干涉等特点无关,那么从连续波的角度推导出来的如反射、衍射、折射、散射和吸收等规律的结论,仍然适用于脉冲波。例如,在连续平面波垂直入射于无限大介质界面的前提下推导出来的声压反射率和声压透视率公式,推导过程中不用考虑相干波的干涉。若连续波垂直入射于有限介质的界面时,由于通常伴随相干波的干涉。此时对于连续波,声波反射率和声压透射率公式只能是近似的。但是当脉冲宽度很窄的脉冲波垂直入射至有限介质时,因为来不及产生干涉,声压反射率和声压透视率公式仍然适用。实际应用中在涉及到波的叠加等问题时,要根据具体情况进行分析。

脉冲波相对于连续波的主要特点是持续时间短,因而在空间的相关长度也较短。据此可预见,在换能器辐射的远场,特别是近轴区域,由于来自换能器辐射面的声程差不大,其相干性与连续波相近,因为其声场仍可沿用连续波的计算结果,如指向性的主瓣附近区域。但在声程差较大的区域,如近场及偏离声轴方向上,相干较弱,因而近场起伏及旁瓣均大大减小。一般说来,脉冲持续时间越长,即脉冲包络中所含的波数越多,声场越接近于连续波场。图1-10 给出了同一圆形平面活塞式超声波换能器在不同连续时间(包含的脉冲个数)下,向水中辐射的脉冲波声场的声压分布计算值。


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1-10 圆形平面活塞式超声波换能器脉冲声场声压分布(换能器半径a=7.5mm,频率 f=2MHz )  a)脉冲波数目n=24   b)脉冲波数目 n=2

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