声学检测技术第三章1

1、 3.1活塞声源的辐射声场 辐射： 声源的振动在周围的介质中激发声波。 研究内容： 根据声源的特性确定声场的性质; 介质性质对声源的影响。 如声场的空间分布； 随距离变化的规律； 辐射阻抗对激发声源振动的影响。 第3章 辐射声场与规则体的回波声压 一、声源类型 1.脉动球源： 辐射对称球面波 0 r dr r 球坐标下的声压为 )(krtj e r A p A取决于球面振动情况，表明声场的特 征与球面的振动有关。 )( 00 ) 1 1 ( krtj r e jkrcr A v dt r p vr 0 1 3.1 活塞声源的辐射声场 设球面表面的振动速度是 边界条件：在球的表面处，媒质质点速度

2、 等于球源表面的振动速度。 )( 0 krtj ae vv 球 球 vv rrr 0 )( )()( 000 ) 1 1 ( krtj a krtj r eve jkrcr A v 3.1 活塞声源的辐射声场 a v jkrcr A ) 1 1 ( 000 j eAA 2 0 2 000 )(1kr vkrc A a ) 1 ( 0 kr arctg )( krtj e r A p脉动球源辐射声压 A值不仅与球源的振速有关，与声源大 小、辐射频率有关。 3.1 活塞声源的辐射声场 )( 11 ) 1 1 ( 0 2 0 2 00 2 0 0 00 2 0 0 000 jkr rk ckrv j

3、kr ckrjv jkr crv A aaa A的表达式 2 0 2 000 )(1kr vkrc A a 1）声源半径比较小或频率比较低 点声源 2）声源半径比较大或频率比较高 有 当振动速度一定时，有： 声源振面大时,辐射声压大，反之就小； 振动面越大，低频声越丰富。 3.1 活塞声源的辐射声场 讨论： 1 0 kr a L vkrcA 2 000 1 0 kr a H vrcA 000 HL AA 辐射阻抗： 声源大小和声波频率不一样时，辐射声压 不同，即声源的辐射特性不同。 声源使介质发生形变，产生声波；辐射的 声场对声源有反作用。 结论：介质的特性阻抗影响声源的振动。 增加了系统的阻

4、尼作用，能量以声能传播； 增加了声源的质量-同振质量。 rrr jXRZ 当 3.1 活塞声源的辐射声场 1 0 kr 0 2 000 )(SkrcRr 1 0 kr 000 ScRr 0000 SkrcX r 0 r X 2.点声源： 脉动球源的半径无限缩小的极限情况，即 此时， 其中 点源辐射声压在理论分析中非常重要。 0 kr 2a时，正弦函数展开后取近 似，有 近场区长度: nzz D ) 4 ( 2 2 2 )12() 4 ( 2 2 nzz D s n Fa Z 2 3.1 活塞声源的辐射声场 z z z ka zz D n 2 sin 4 sin) 4 (sin 2 2 2 n

5、Z 结论： 近场长度与波长成反比，与声源面积 成正比。 3.1 活塞声源的辐射声场 4.远场区声压分布特性 当 结论: 轴线上的声压与距离成反比，与声源 面积成正比。 ) 4 (sin2 2 2 0 zz D pp az2) 2 sin(2 2 0 a pp 2 3a z 3.1 活塞声源的辐射声场 z Fp z ap p a 0 2 0 特点： 声轴线上的声压随距离增加单调减 少，当声程大于三倍近场长度时，声压 与距离成反比，近似球面波的规律。 3.1 活塞声源的辐射声场 3.1 活塞声源的辐射声场 计算水中的近场距离： 频率为1兆赫兹，波长为： mm f c 5 . 1 101 105 .

6、 1 6 6 mm a Zn7 .66 5 . 1 102 2 3.1 活塞声源的辐射声场 钢中纵波的近场距离，频率为1MHz 钢中横波的近场距离,频率为1MHz mm f cl 9 . 5 101 109 . 5 6 6 mm a zn9 .16 9 . 5 102 2 mm f cs 2 . 3 101 102 . 3 6 6 mmz a n 25.31 2 . 3 1022 5.声束指向性和半扩散角 指向性是指其发射声压的幅值随着方位 角的变化而变化的一种特性。 指向性系数 ： 声场中远处任意一点处的声压 与声源轴线上同距离处声压 的比值。 sin )sin(2 2 1 )( 0 2 0

7、 0 ka kaJ e r av jp krtj a C D ),(rP )0 ,(rP 3.1 活塞声源的辐射声场 由于 指向性形成的原因： 声源各部分所发射声波在远场区域中干涉叠加的 结果，将辐射面上每一点看作声源，点声源所产 生的声波是没有指向性的球面波，所有这些子波 相互叠加，在辐射空间的远场便形成了指向性。 简单地说，指向性表示在远场中距离相同的点， 声压幅值与角度的对应关系。 sin )sin(2 0sin )0sin(2 sin )sin(2 )( )( )( 1 1 1 0 ka kaJ ka kaJ ka kaJ p p D a a c 3.1 活塞声源的辐射声场 2 1)(

8、 0 1 x x xJ 3.1 活塞声源的辐射声场 指向特性同活塞的尺寸与波长的比值有关 声源尺寸与波长比较较小时，辐射的声压几乎 没有指向性，指向性图是个圆； 随着声源尺寸的增大或频率的提高，指向性越 来越尖锐，并且除了主瓣还出现了旁瓣，并且逐 渐增多。 3.1 活塞声源的辐射声场 半扩散角 一阶贝塞尔函数为零 83. 3sinka Daka 22. 1arcsin61. 0arcsin 83. 3 arcsin 这是主瓣半声束极限角半扩散角 D 22. 1arcsin 0 3.1 活塞声源的辐射声场 6.声束未扩散区与扩散区 22 0 22. 1sin ba a D 22 61. 0 ba

9、 a a N N a b 64.1 61.0 1 61.0 2 n z b 3.1 活塞声源的辐射声场 0 三、矩形晶片辐射的声场 sincos )sincossin( cossin )cossinsin( ),( 0 kb kb ka ka r Fp rp s 3.1 活塞声源的辐射声场 两个特定面内的声场指向性系数 XOZ面内 sin )sinsin( )0 ,( 0 ka ka r Fp rp s sin )sinsin( )0 , 0 ,( )0 ,( ka ka rP rP D 0 aa b 2 57 2 arcsin ), 0 ,(rQ r 0 r b2 a2 o x y z 3.1 活塞声源的辐射声场 ZOY面内 90 sin )sinsin( )90,( 0 kb kb r Fp rp s sin )sinsin( )90, 0 ,( )90,( kb kb rp rp D bb b 2 57 2 arcsin x y z ),90,(rQ r 0 r 3.1 活塞声源的辐射声场 四、近场区在两种介质中的分布 2 1 2 2 2 1 2 4C C L D C C Lzz nn N L 3.1 活塞声源的辐射声场 五、实际声场与理想声场比较 理想声场的激发:液体介质、连续波、 活塞振动 实际声场的激发：脉冲波、非均匀激 发、固体介质