空氣耦合超聲換能器的頻域聲場(chǎng)探討

劉建華

摘要：影響頻域聲場(chǎng)主要是因?yàn)榻橘|(zhì)衰減及其引進(jìn)的頻散，出于這一方面的考慮，本身借助冪函數(shù)衰減介質(zhì)的解析公式對(duì)空氣耦合超聲換能器的頻域聲場(chǎng)進(jìn)行分析。結(jié)果表明引起聲場(chǎng)變化主要因素是空氣中的衰減而引起，同時(shí)空氣中的聲壓幅度在傳播距離變長(zhǎng)時(shí)也會(huì)降低，近場(chǎng)長(zhǎng)度減小。希望通過(guò)這一分析能夠?qū)諝怦詈铣晸Q能器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供有效的參考。

關(guān)鍵詞：空氣耦合超聲換能器;冪函數(shù)衰減;頻域聲場(chǎng)

1 ?研究背景

對(duì)于空氣耦合換能器的設(shè)計(jì)，在對(duì)近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)等聲場(chǎng)特征調(diào)控時(shí)主要是結(jié)合換能器幾何形狀、尺寸來(lái)進(jìn)行，并對(duì)換能器的工作性能產(chǎn)生影響。目前換能器的幾何形狀多為圓形，在考慮零衰減介質(zhì)的情況下，可根據(jù)經(jīng)典的頻域聲場(chǎng)公式來(lái)選取換能器的幾何參數(shù)，這一經(jīng)典公式在換能器設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要的作用。但在實(shí)際的測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中，由于這一經(jīng)典公式對(duì)空氣中的衰減問(wèn)題并未充分考慮到，因此使得實(shí)際測(cè)驗(yàn)和預(yù)測(cè)的頻域聲場(chǎng)特征存在較大的誤差?；谶@一情況，在發(fā)展經(jīng)典公式的基礎(chǔ)上，利用冪函數(shù)衰減介質(zhì)公式具體分析圓形換能器頻域聲場(chǎng)特征，主要是空氣中的衰減對(duì)近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)、聲束擴(kuò)散角的影響，希望能夠?yàn)閾Q能器的設(shè)計(jì)提供參考意見(jiàn)。

2 ?理論分析

在空氣耦合換能器實(shí)際工作中，在發(fā)射超聲波的過(guò)程中，實(shí)際上會(huì)在材料傳播時(shí)有一定程度的衰減，可以用冪函數(shù)來(lái)進(jìn)行表達(dá)，表達(dá)公式為 ，在該公式中， 表示圓形換能器在無(wú)線延伸是的剛性平板中間， 表示的是角頻率， 與 則為非負(fù)常數(shù)。大部分材料的冪指數(shù) 基本在0～2范圍。如水下聲學(xué)中的沉積物，其衰減通常表現(xiàn)為 =1;醫(yī)學(xué)超聲中人體組織，其衰減 是在1～1.7之間;油的冪指數(shù)衰減 表現(xiàn)在1～2之間。在水和空氣中， 取值為2，則冪函數(shù)衰減公式為 ，在常溫常壓下，水中衰減常數(shù) 則為19.02 10-4dB/cm·MHz2，但根據(jù)IEC62127標(biāo)準(zhǔn)，其忽略了水中的衰減，這便使得換能器校準(zhǔn)存在較大不確定性，但實(shí)際上空氣中衰減相當(dāng)于水的1000倍，因此在計(jì)算空氣耦合超聲換能器聲場(chǎng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮這一衰減因素。

首先，對(duì)于換能器的軸向聲壓分布計(jì)算，可以根據(jù)圖形換能器輻射聲場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，在M（x，y，z）=M（r）時(shí)，則r= ，然后結(jié)合公式 ，便可以獲得衰減介質(zhì)中圓形換能器的軸向聲壓分布。其次，對(duì)于換能器徑向聲壓分布的觀測(cè)，由于距離換能器較近的聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)有一定的復(fù)雜性，而在觀測(cè)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)聲束具有較好的一致性，所以在表示換能器的聲束擴(kuò)散特征時(shí)，可以通過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)的徑向聲壓分布進(jìn)行。為了方便計(jì)算，在任意觀測(cè)點(diǎn)M（x，y，z）時(shí)，聲壓為P（M， ，t）= ，當(dāng)r>a使得 成立時(shí)便可以求得線聲源在遠(yuǎn)程的徑向聲壓分布。需要注意的是，在冪指數(shù) =2，二次方衰減介質(zhì)如水、空氣等，衰減所引起的頻散為零。然后根據(jù)軸向聲壓分布和徑向聲壓分布的情況分析便可得知，由衰減引起能量損失是導(dǎo)致聲場(chǎng)變化的主要原因。

3 ?空氣耦合換能器聲場(chǎng)特征分析

換能器聲場(chǎng)特征示意圖可見(jiàn)下圖1，常溫常壓下空氣中的衰減為 =15.9×10-1f2dB/cm，頻率單位是MHz，聲速是340m/s。

3.1 ?軸向聲場(chǎng)特征

結(jié)合上述分析可得知零衰減介質(zhì)（ =0）與空氣（ （f=0.35MHz）=0.019dB/cm）進(jìn)行歸一化，可獲得軸向聲壓分布圖，見(jiàn)下圖2。

軸向聲壓在與換能器接近區(qū)域反復(fù)幾次大的極大值和零點(diǎn)，那么這個(gè)區(qū)域就稱為近場(chǎng)。在考慮空氣衰減時(shí)，近場(chǎng)內(nèi)的聲壓反復(fù)進(jìn)行波動(dòng)，且會(huì)隨著距離增大而明顯降低，如果達(dá)到極大值點(diǎn)和零點(diǎn)時(shí)，則與零衰減的情況相同，此時(shí)近場(chǎng)長(zhǎng)度也會(huì)減小。但是由于空氣中的二次方衰減導(dǎo)致能量消耗較大，以致于近場(chǎng)長(zhǎng)度呈現(xiàn)出J形分布，此時(shí)對(duì)空氣耦合換能器進(jìn)行測(cè)定就會(huì)存在較大的誤差。一般情況下需要在遠(yuǎn)程Z≥N的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行測(cè)定，考慮到空氣的遠(yuǎn)程范圍較大，可適當(dāng)減小測(cè)量距離Z，進(jìn)而獲得更高的信噪比。

3.2 ?遠(yuǎn)場(chǎng)徑向聲場(chǎng)特性

具體見(jiàn)下圖3。通過(guò)觀察圖可知，聲壓幅度的降低主要由空氣中的衰減引起，但是徑向聲壓的主瓣、旁瓣和零點(diǎn)位置與零衰減介質(zhì)一種，且零衰減介質(zhì)與空氣中的軸向聲壓分布相重合，所以遠(yuǎn)場(chǎng)徑向聲壓定義的聲束擴(kuò)散角不變。

4 ?結(jié)論

通過(guò)對(duì)頻域聲場(chǎng)的計(jì)算，考慮到空氣衰減的問(wèn)題，利用冪函數(shù)衰減介質(zhì)獲得圓形換能器頻域聲場(chǎng)解析公式，這一公式是對(duì)換能器校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充，并驗(yàn)證了介質(zhì)中二次方衰減不會(huì)引起聲波頻散，主要是因?yàn)樵诳諝怦詈舷滤p使得能力損失，進(jìn)而使得聲場(chǎng)特征發(fā)生變化。

參考文獻(xiàn)：

[1]李驥，張旻，PIWAKOWSKI Bogdan.空氣耦合超聲換能器聲場(chǎng)的時(shí)域計(jì)算方法[J].無(wú)損檢測(cè)，2020，42（05）：59-62.