声学检测技术第三章1

1、声学检测技术,声学检测技术,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,球坐标下的声压为,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。,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 等于球源表面的振动速度。,3.1 活塞声源的辐射声场,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

2、射频率有关。,3.1 活塞声源的辐射声场,A的表达式,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：,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。 增加了系统的阻尼作用，能量以声能传播； 增加了声源的质量-同振质量。,当,3.1 活塞声源的辐射声场,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

3、 点源辐射声压在理论分析中非常重要。,1,称为点源强度。,3.1 活塞声源的辐射声场,3.组合声源 线状阵列声源： 等间距点源组成 平面声源： 同一平面上的点源组成,3.1 活塞声源的辐射声场,4.活塞声源 定义：处于发射状态的晶片作像活塞一样 的往复振动 平面声源固定在无限大障板上 向半空间辐射声波,3.1 活塞声源的辐射声场,活塞声源的特点： 有限大小的平面声源； 振动方向沿平面的法线方向； 振动面上各点的速度振幅和位相都相同； 在平衡位置附近进行往复的周期运动。,二、圆形活塞声源辐射的声场 几点假设： 活塞上各点的振动是同相同速； 整个声源由无限多个小声源组成；,每个小声源向半空间辐射对

4、称球面波； 声场中的每一点的声压是每个小声源辐射 声波的叠加。,3.1 活塞声源的辐射声场,1.声场中的远场声压分布特性 研究声场中任意点的声压表达式 声源中有一个小的单元 在Q点产生的声压：,ds,3.1 活塞声源的辐射声场,Q点的声压 是整个圆形声源上所有小声源在 Q点产生的声压的叠加,3.1 活塞声源的辐射声场,当Q点距圆形声源足够远时, 用 代替 当 根据二项式定理，有,3.1 活塞声源的辐射声场,把上面的几个近似带入声压表达式, 有,3.1 活塞声源的辐射声场,3.1 活塞声源的辐射声场,对于积分式 进行数学处理，根据贝塞尔函数的性质,有,3.1 活塞声源的辐射声场,结论： 圆形声源

5、辐射的声场中的声压随距离r，时 间t而变，在远场区，声压与距离成反比； 在相同距离不同方向的位置上,声压是不 均匀的,当 时，声场的声压最大。 产生原因：各个小面元产生的声波相位不同 产生干涉，干涉的结果使声场出现指向性。,3.1 活塞声源的辐射声场,2.声轴线上声压幅值的分布特性 此时, 取一个微小圆环， 进行积分计算，得： 此表达式是活塞轴上声场的严格解,3.1 活塞声源的辐射声场,声压幅值为 这是当量法缺陷定量中最基本的公式,3.1 活塞声源的辐射声场,3.近场区内的声压分布 当 从 P由 结论: 在声轴线上出现声压极大和极小值,3.1 活塞声源的辐射声场,近场区： 波源附近由于波的干涉

6、而出现一系列声 压极大极小值的区域。 原因： 声源各点到轴线上的某点的距离不同， 存在声程差，声波在此点叠加时，产生干 涉。 在整个轴线上，有些点的声压得到加强， 有些点的声压减弱，因而形成声压极大值和 极小值。,3.1 活塞声源的辐射声场,Z比较小时： 位置上声压出现极小值 位置上声压出现极大值 Z比较大，Z2a时，正弦函数展开后取近 似，有 近场区长度:,3.1 活塞声源的辐射声场,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。,3.1 活塞声源的辐射声场,特点： 声轴线上的声

7、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：,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,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。,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

8、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。,3.1 活塞声源的辐射声场,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,这是主瓣半声束极限角半扩散角,3.1 活塞声源的辐射声场,6.声束未扩散区与扩散区,3.1 活塞声源的辐射声场,三、矩形晶片辐射的声场,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,3.1 活塞声源的辐射声场,ZOY面内,3.1 活塞声源的辐射声场,四、近场区在两种介质中的分布,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,3.1 活塞声源的辐射声场,差别: 1、两