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< ?2P?1 C2e2P et2 =?2?c c03 e2P et2 +1 ρ0 ?(?ρ)??P（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 ?2P?1 C e2P et =0（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。 2.2 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。 2.2.1 辐射声场模型 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 ?2ψ?1 c02e2ψ et2 =0（式2-4） 那么，换能器在空间任一点的声压为 P r ,t=ρ0e ψ( r ,t) et （式2-5） 式中， r 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v t在 场点 r 产生的速度势函数可由下式得出 ψ r ,t=v t? δt?R c 2πR dS S （式2-6） 式中，v t是换能器表面的垂直振动速度，*代表了时间上的卷积算子。在上式中，积分 ? r ,t= δ(t?R c ) dS S （式2-7） 称为空间冲激响应，它表示换能器受到单位冲击信号δ(t)激励后场点 r 处的相应。因此，空 间冲激响应描述了换能器如何向空间辐射声场，可以将其看成一个线性系统在空间一点的冲激响应。 利用空间冲激响应，辐射声场可由下式给出 P r ,t=ρ0ev(t) et ??( r ,t)（式2-8） 式中，?v(t)/?t是换能器表面的振动加速度。这种卷积模型可以计算任意激励的辐射声场。对于单个阵元来说，它的空间冲激响应可由式（2-7）求得，而一个由N X×N Y个活塞式阵元组成二维阵列换能器的空间冲激响应是所有阵元空间冲激响应延时代数和 h n( r ,t)=h ij( r ij ,t??t ij) N Y j=1 N X i=1 （式2-9） 式中，h ij为第（i，j）阵元的空间冲激响应， r ij 是第（i，j）阵元到场点的距离，?t ij表示第（i，j）阵元对阵列中心（或参考点）的相应延时值，它控制了声束的偏转和聚焦。 由于这种模型采用了线性系统的理论，也可以描述具有任意表面振速幅值分布的换能器的辐射声场。因此，基于空间冲激响应的辐射声场模型可以描述任意形状、任意大小及任意表面振速幅值分布的换能器或换能阵受到任意激励时的声场分布，而且可以描述连续波的声场分布。 2.2.2 散射场模型及相控阵超声成像模型 第二节聚焦波源辐射声场 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。 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< 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、…… 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》 超声波是怎么产生的声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。超声波是指振动频率大于20190Hz以上的，其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的一般上限（20190Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。由于其频率高，因而具有许多特点：首先是功率大，其能量比一般声波大得多，因而可以用来切削、焊接、钻孔等。再者由于它频率高，波长短，衍射不严重，具有良好的定向性，工业与医学上常用超声波进行超声探测。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，1兆Hz=10PHz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在16-20190HZ 之间）。 超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律， 与可听声波的规律没有本质上的区别。但是超声波的波长很 短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声 波具有许多奇异特性：传播特性——超声波的波长很短，通 常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波 的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声 波的波长越短，该特性就越显著。功率特性——当声音在空 气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。 声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波 的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。空化作用当超声波在介质的传播过程中，存在一个正负 压强的交变周期，在正压相位时，超声波对介质分子挤压，改变介质原来的密度，使其增大; 在负压相位时，使介质分子稀疏，进一步离散，介质的密度减小，当用足够大振幅的超声波作用于液体介质时，介质分子间的平均距离会超过使液体介质保持不变的临界分子距离，液体介质就会发生断裂，形成微泡。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。 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： 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； 超声波的四个特性及应用特性 来源：全球五金网2011-9-8 作者：济宁天华超声电子仪器有限公司公司产品公司商机公司招商公司新闻 超声波顾名思义，超过常规声波的声波。声波是指人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为16Hz-20KHz。当声波的频率低于16Hz时就叫做次声波，高于20KHz则称为超声波声波。 超声波特性有四个方面： 1）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。 2）超声波可传递很强的能量。 3）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。 4）超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。 1.束射特性 由于超声波的波长短，超声波射线能够和光线一样，可以反射、折射，也能聚焦，而且．恪守几何光学上的定律。即超声波射线从一种物质外表反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射，也就是要改动它的传插方向，两种物质的密度差异愈大，则折射也愈大。 2.吸收特性 声波在各种物质中传播时，随着传播间隔的增加，强度会渐进削弱，这是由于物质要吸收掉它的能量。关于同一物质，声波的频率越高，吸收越强。关于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收最历害，在液体中传播时吸收比拟弱，在固体中传播时吸收最小。 3.超声波的能量传送特性 超声波所以往各个工业部门中有普遍的应用，主要之点还在于比声波具有强大得多的功率。为什么有强大的功率呢?由于当声波抵达某一物资中时，由于声波的作用使物质中的分子也跟着振动，振动的频率和声波频率―样，分子振动的频率决议了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。 物资分子由于振动所取得的能量除了与分子的质量有关外，是由分子的振动速度的平方决议的,所以假如声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量、超声波的频率比声波能够高很多，所以它能够使物资分子取得很大的能量；换句话说，超声波自身能够供应物质足够大的功率。 4.超声波的声压特性 当声波通入某物体时,由于声波振动使物质分子产生紧缩和稠密的作用，将使物质所受的压 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） 超声波焊接的焊点，应有高的接合强度和合格的表面质量，除了表面不能有明显的挤压坑和焊点边缘的凸出以外，还应注意与上声极接触处的焊点表面情况，不允许有裂纹和局部未熔合，因此，超声波焊接的形式选择、接头设计和焊接参数选择非常重要。 一、超声波焊接特点 1) 可焊接的材料范围广，可用于同种金属材料、特别是高导电、高导热性的材料（如金、银、铜、铝等）和一些难熔金属的焊接，也可用于性能相差悬殊的异种金属材料（如导热、硬度、熔点等）、金属与非金属、塑料等材料的焊接，还可以实现厚度相差悬殊以及多层箔片等特殊结构的焊接。 2) 焊件不通电，不需要外加热源，接头中不出现宏观的气孔等缺陷，不生成脆性金属间化合物，不发生像电阻焊时易出现的熔融金属的喷溅等问题。 3) 焊缝金属的物理和力学性能不发生宏观变化，其焊接接头的静载强度和疲劳强度都比电阻焊接头的强度高，且稳定性好。 4) 被焊金属表面氧化膜或涂层对焊接质量影响较小，焊前对焊件表面准备工作比较简单。 5) 形成接头所需电能少，仅为电阻焊的5％；焊件变形小。 6) 不需要添加任何粘结剂、填料或溶剂，具有操作简便、焊接速度快、接头强度高、生产效率高等优点。超声波焊接的主要缺点是受现有设备功率的限制，因而与上声极接触的焊件厚度不能太厚，接头形式只能采用搭接接头，对接接头还无法应用。 二、超声波焊接的分类 超声波焊接分类按照超声波弹性振动能量传入焊件的方向，超声波焊接的基本类型可以分为两类：一类是振动能量由切向传递到焊件表面而使焊接界面产生 相对摩擦，这种方法适用于金属材料的焊接；另一类是振动能量由垂直于焊件表面的方向传入焊件，主要是用于塑料的焊接。常见的金属超声波焊接可分为点焊、环焊、缝焊及线焊；近年来，双振动系统的焊接和超声波对焊也有一定的应用。 （1）点焊点焊是应用最广的一种焊接形式，根据振动能量的传递方式，可以分为单侧式、平行两侧式和垂直两侧式。振动系统根据上声极的振动方向也可以分为纵向振动系统、弯曲振动系统以及介于两者之间的轻型弯曲振动系统。功率500W以下的小功率焊机多采用轻型结构的纵向振动；千瓦以上的大功率焊机多采用重型结构的弯曲振动系统；而轻型弯曲振动系统适用于中小功率焊机，它兼有上述两种振动系统的优点。 （2）环焊环焊方法如图5所示，主要用于一次成形的封闭形焊缝，能量传递采用的是扭转振动系统。焊接时，耦合杆4带动上声极5作扭转振动，振幅相对于声极轴线呈对称分布，轴心区振幅为零，边缘位置振幅最大。该类焊接方法最适合于微电子器件的封装工艺，有时环焊也用于对气密性要求特别高的直线焊缝的场合，用来代替缝焊。由于环焊的一次焊缝的面积较大，需要有较大的功率输入，因此常常采用多个换能器的反向同步驱动方式。 （3）缝焊与电阻焊中的缝焊类似，超声波缝焊实质上是由局部相互重叠的焊点形成一条连续焊缝。缝焊机的振动系统按其滚轮振动状态可分为纵向振动、弯曲振动以及扭转振动三种形式（图6）。其中最常见的是纵向振动形式，只是滚轮的尺寸受到驱动功率的限制。缝焊可以获得密封的连续焊缝，通常焊件被夹持在上下滚轮之间，在特殊情况下可采用平板式下声极。 （4）线焊它是点焊方法的一种延伸，利用线状上声极，在一个焊接循环内形成一条狭窄的直线状焊缝，声极长度就是焊缝的长度，现在可以达到150mm，这种方法最适用于金属薄箔的封口。 （5）双超声波振动系统的点焊：上下两个振动系统的频率分别为27kHz和20kHz（或15kHz），上下振动系统的振动方向相互垂直，焊接时二者作直交振动。当上下振动系统的电源各为3kW时，可焊铝件的厚度达10mm，焊点强度达到材料本身的强度。双超声波振动系统多用于集成电路和晶体管细导线的焊接，虽然焊接方法与点焊基本相同，但焊接设备复杂，要求设备的控制精度高，以便实现焊点的高质量和高可靠性焊接。 目录 摘要 (2) 引言 (3) 1.超声波的基本原理及传播特点 (4) 1.1什么是超声波 (4) 1.2超声波的基本原理 (4) 1.2.1压电效应及脉冲超声波的产生 (4) 1.2．2超声波波形 (5) 1.3超声波传播的特点 (6) 2.超声波的应用 (6) 2.1超声波在制浆造纸中的应用 (7) 2.2超声波传感器 (8) 2.3超声波测距 (9) 2.4超声波在医学诊断中的应用 (10) 2.5超声波在生物技术领域的应用 (11) 2.5.1用于培养液及药物的雾化 (11) 2.5.2提高种子发芽率和遗传物质的转化率 (11) 2.6超声波在军事中的应用 (11) 3. 结束语 (12) 参考文献 (12) 致谢 (13) 摘要 超声波是一种高能机械波，本文通过介绍超声波的产生机制和基本原理。让读者更深层次的认识超声波，文中根据超声波的自身特点从超声波传感器、超声波测距、及超声波在纸浆造纸中、医学诊断中、生物技术领域中、军事中的应用这六个方面进行详细讲述。超声波是一门年轻的学科，随着超声研究技术的不断成熟，未来将会更好的应用在生产生活中。 关键词：超声波；传感器；测距；医学诊断 Abstract Ultrasonic is a kind of high-energy mechanical wave, this paper introduces the basic principle of ultrasonic generation mechanism and give readers a deeper understanding of ultrasound, in this paper, according to the characteristics of ultrasonic sensors, ultrasonic distance measurement, and ultrasonic in pulp papermaking, medical diagnosis, in the field of biotechnology, the application of the military in these six aspects in detail. Ultrasonic is a young discipline, with the ultrasonic technology matures, the future will be better application in the production and living. Key words: ultrasonic ；the sensor ；ranging; medical diagnosis 引言 超声波最早被人类发现是在1793年由意大利科学家斯帕拉捷在蝙蝠身上发现其存在，随后的30多年里人们进行了有关超声波的产生机理方面的大量研究，直到1830年F ·Savar 用齿轮产生4104.2 HZ 的超声，首次实现了人类在人工控制下超声波的产生，开启了超声历史的新纪元，其他新技术如压电效应与逆压电效应的发现大大推动了超声波的快速发展，在随后的60年间，世界各地区有关超声技术的研究不断的取得突破性成果，20世纪的40年代超声技术开始应用于临床医疗方面，这也同样推动了人类医疗事业的发展，有关超声波在医学方面的应用与研究取得突破性进展，国际间也有过许多的交流与合作，共同推动了超声科技的发展和进步。我国在超声方面的研究相对落后于国际主流国家，我国由于当时特别的时期和特别的情况，20世纪60年代才开始超声方面的研究，有关超声学的相关研究始于也在这个时期真正开始，并且在随后的几年发展中取得了许多重要成果和重要的应用，如金属探伤、种子的培育、印染等。在基础研究方面也取得了重要进展，如研制出有关超声波在固体中衰减所用的检测设备，进行了有关超声乳化等课题的研究，研制出分子声学试验等设备，表面换能器的相关研究在1960年左右开始。改革开放的新时期，超声技术开始了实际应用之路，并且在该领域的一些列成果开始走进我们的生 压电与声光000211 压电与声光 PIEZOELECTRICS & ACOUSTOOPTICS 2000 Vol.22 No.2 P.98-100 复频聚焦超声压电换能器声场及频谱的研究 石焕文 尚志远 摘 要：研制了一种新型复频聚焦 超声换能器，并从理论上计算了辐射声压在轴向上的分布曲线，进而确定了焦区位置，这与 实验所得结果符合得较好。文章还对换能器在水中焦区辐射声场的频谱进行了研究，观测到 了两个原波，和频波、差频波及倍频波，证实了声散射声效应的存在。 关键词：复频聚焦超声；压电换能器；声场；频谱 中图分类号：O426．4 文献标识码：A 文章编号：1004-2474（2000）02-0098-03 Study on the Acoustic Field and Its Spec trum Radiated by a Bi-frequency Ultraso nic Focused Piezoelectric Transducer SHI Huan-wen SHANG Zhi-yuan （Applied Acoustics Institute， Sha n xi Normal University， Xi’an 710062， Chin a）Abstract： A new kind of bi-frequency ult rasonic focused piezoelectric transducer is designed， and the distribution curve of its axial pressure is theoretically calculated． Its focal area is determined and it is good in agreement with experi men tal results． In this paper the spectrum of the focal acoustic field radiated by the transducer in water is investigated． Not only the two original waves but als o the sum frequency， difference frequenc y and multiple frequency waves have been detected， which testify to the occurre nce of scattering of sound by sound． Key words： bi-frequency fo cused ultrasound； piezoelectric transduc er； acoustic field； spectrum 1 引言 已有多种方法实现单一频率超声的聚焦，但用同一聚焦系统实现两种频率超声的聚焦却少有 报道。1996年日本学者S．Umemura等人为了达到二次谐波和基波迭加激活酸性 红杀 死肿瘤细胞的目的，研制了一种阵列式复频聚焦换能器［1］。本文作者为了用复频 聚焦超声激活卟啉及其衍生物，研制了一种新型复频聚焦换能器，将发射型高频PZT小圆 片放在低频PZT圆环之中，用环氧树脂将它们一起粘在有机玻璃制成的平凹透镜的平面一 侧，凹面是曲率半径为69 mm的球面，这样就可以用透镜实现聚焦。文章设计的400 kHz＋800 kHz复频换能器的两种频率超声的焦区基本重合，能达到2 file:///E|/qk/ydysg/ydys2000/0002/000211.htm（第 1／7 页）2010-3-23 12:25:29 A型超声诊断仪（amplitude） A型显示是一种最基本的显示方式，示波管上的横坐标表示超声波的传播时间，即探测深度；纵坐标则表示回波脉冲的幅度（amplitude），故称为A型。 用A型诊断仪可以测量人体内各器官的位置、尺寸和组织的声学特性，并用于疾病诊断。 M型超声诊断仪（motion） 它在A型超声诊断仪基础上发展来的一种最基本的超声诊断设备。 显像管上的亮度表示回波幅度，由A型回波幅度加到显像管Z轴亮度调制极上所控制；其纵轴表示超声脉冲的传播时间，即探测深度；显像管水平偏转板加一慢时间扫描电压。这样在做人体探查时，就构成一幅各回波目标的活动曲线图。 其在检查心脏时具有一系列优点，如对心血管各个部分大小、厚度、瓣膜运动的测量，以及研究心脏的各部分运动与心电图、心音图及脉搏之间的关系等，所以也称超声心动仪。 此外它还可以研究其他各运动界面的情况，并通过与慢时间扫描同步移动探头，做一些简单的人体断层图。 B型超声诊断仪（brightness） 其也称B型超声切面显像仪。它用回波脉冲的幅度调制显示器亮度，而显示器的横轴和纵轴则与声速扫描的位置一一对应，从而形成一幅亮度调制的超声切面图像。 D型超声多普勒诊断仪 它利用超声波传播过程中与应用目标之间的相对运动所产生的多普勒效应来探测运动目标，主要包括多普勒血流测量和血流成像两种。 目前的彩色血流成像（color flow imaging CFI）则是在实时B型超声图像中，以伪彩色表示心脏或血管中的血液流动。它是利用多次脉冲回波相关处理技术来取得血流运动信息，故常称为彩色多普勒血流成像（color Doppler flow imaging, CDFI）。 经颅多普勒（transcranial Doppler，TCD）诊断仪应用低频多普勒超声，通过颞部、枕部、框部及颈部等透声窗，可以显示颅内脑动脉的血流动力学状况。 C型和F型超声成像设备 它是在B型超声诊断仪的基础上发展起来的，主要用来获取与声束方向垂直或呈一定夹角的平面和曲线上的回波信息并成像。透射式C型成像类似普通X射线成像，反映了声束路径上所有组织总的超声特性，可分别利用总的超声衰减和传播时间进行C型成像。C型和F型扫描成像能提供一些B型超声成像不能获得的信息。 超声外科设备 超声外科学是继超声治疗和诊断之后出现的一个医用超声领域。它用较强的超声波粉碎眼部、肾部的病变组织并排出，如超声乳化白内障摘除等，以达到实施超声外科手术的目的。其优点是降低患者痛苦，缩短手术时间。 超声治疗设备 它主要利用组织吸收超声波能量等特性，即温热效应、机械效应和化学效应，达到治疗目的，目前超声加温治疗癌症是一个重要课题，利用环形相控换能器可方便的使声束聚焦于病变部位，使病变部位温度升高。相对于电磁波而言，超声治疗设备的声束方向与聚焦位置及声功率分布模式更便于控制。 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 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，一般选声学的基本性质和室内声场
超声波的声场特性
声场设计依据数值
第2章 超声波发射声场与规则反射体的回波声压
一个声场的基本设计
超声波是怎么产生的
扬声器的安放位置及声场的设计
EASE声场分析说明教学提纲
超声波特性
声场种类和参数
超声波焊接工艺特点
超声波的基本原理及传播特点 (1)
复频聚焦超声压电换能器声场及频谱的研究
几种常用的医学超声设备
超声接收换能器
超声波特性