实用换能器频谱及声场特性分析

　　在超声检测的实际应用中,存在这样一个问题:根据超声理论,在探头的近场区之内,单频连续波在声轴线上的声压分布是有起伏的,所以难以对缺陷进行准确的定量。而实际的超声探头发射的都是脉冲波。这样就产生了理论与实际不统一的问题。本文针对这一问题,首先对活塞式声源轴线上的声压叠加原理进行理论分析,然后利用高速APD转换卡对第一次底面回波进行采样,并利用MATLAB编程对其进行频谱分析。最后,通过计算求出在声轴线上的声压分布情况,并对其进行分析。

　　1 活塞式声源声轴线上的声压分布

　　我们这里主要研究活塞声源中心轴线上的声场,因超声检测中,当反射体条件不变时,其最大回波高度主要取决于声轴线上的声压分布。为此,我们选取活塞中心P为坐标原点,活塞半径为a,过中心的轴线为Z轴,现计算轴线上坐标为Z位置上的声压P,如图1所示。

　　则z处的总声压:

　　因为对固定的z值,有2ρdρ=2hdh,代入上式,便得

　　式中,式(2)是活塞轴线上声场的严格解。

　　由(2)式,近场中声压振幅的分布函数为:

　　由式(3)可见,在活塞的法线上声压为零的位置z=dn,由以下条件确定:

　　即:

　　而声压最大振幅(2ρ0c0uA)的位置z=Dn的条件是:

 （5）

　　由(4)和(5)式可见,对应不同的n值,将会在法线上出现声压极大和极小值的交替分布,而且在靠近活塞面处.极大和极小值的分布更密集.随距离的增加,极大和极小值的相隔越来越远,n的最大值对应于离发射面最近的极值,当n较小时,对应离发射面较远的极值。当n=0时,由(5)式知z=D0,声压为极大值,这是离发射面最远的一个极大值。则:

　　这表明最后一个极大值的位置恰好是边缘声线和轴向声线程差为λ/2,超过此点后,声压幅值为单调下降,如图2所示:

　　由此可见,出现最后一个极大值的位置D0具有特别重要的意义,在超声探伤技术中D0称为近场长度,且由(6)式决定大小,当频率较高(即λ<<a)时

　　这是超声换能器的一个重要参数,通常用N表示。

　　以上讨论的是单频连续波在声轴线上的声压分布。由于在实际应用中,换能器发射的不是单频连续波,而是有一定频带宽度的脉冲波。下面对换能器发射脉冲波的情况进行探讨。

　　1.2 声轴线上声压均方根叠加原理

　　由于脉冲波是有许多不同频率的正弦波和余弦波所组成,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叠加。