超声换能器脉冲波声场数值计算与测试

超声波角、平测及声速计算方法张治泰（陕西省建筑科学研究设计院，西安710082）一、概述采用超声波检测混凝土质量，一般是根据构件或结构的几何形状、所处环境、尺寸大小以及所能提供的测试表面等条件，选用不同的测试方法。

一般常用的检测方法有以下几种：1. 对测法。

当混凝土被测部位能提供一对相互平行的测试表面时，可采用对测法检测。

即将一对厚度振动式换能器（发射简称F换能器，接收简称S换能器），分别耦合于被测构件同一测区两个相互平行的表面逐点进行测试，F、S换能器的轴线始终位于同一直线上。

例如检测一般混凝土柱、梁等构件。

2. 角测法。

当混凝土被测部位只能提供两个相邻表面时，虽然无法进行对测，但可以采用丁角方法检测。

即将一对F、S换能器分别耦合于被测构件的两个相邻表面进行逐点测试，两个换能器的轴线形成90°夹角。

例如检测旁边存在墙体、管道等障碍物的混凝土柱子。

3. 平测法。

当混凝土被测部位只能提供一个测试表面时，可采用平测法检测。

将一对F、S换能器置于被测结构同一个表面，以一定测试距离进行逐点检测。

比如检测路面、飞机跑道、隧道壁等结构。

其中角测或斜测法以及平测法在超声波检测混凝土缺陷中经常用到，我们在《陕西省综合法检测混凝土强度技术规程》DBJ―24―7―88中提出了超声波斜测（含角测）和平测方法，在《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》CECS 02：88中尚未规定这两种测试方法。

根据工程检测的需要，在CECS 02规程修订稿中增加了角测和平测内容。

二、超声波角测及其声速计算1.测试方法。

超声波角测法的测点布置如图2―1所示。

为使超声波能充分反映构件内部混凝土质量，同时还要避开钢筋的影响，布置超声测点时应使换能器尽量离开构件边缘远一些，同时为了简化测试操作工序，减少测距l和声速v的计算工作量，宜将同一测区三个测点布置成统一的尺寸l1、l2（如图2―1(b)）。

通过计算分析表明，换能器中心点与构件边缘的距离只要不小于200mm，混凝土声速小到3.50～3.80km/s均不会受到钢筋的影响。

超声换能器的声辐射力公式
超声换能器的声辐射力可以通过以下公式进行计算：
F = (P * A) / c
其中： F 表示声辐射力（单位：牛顿，N） P 表示超声波的声压（单位：帕，Pa） A 表示超声换能器的辐射面积（单位：平方米，m²） c 表示声速（单位：米/秒，m/s）
这个公式基于声压传感器定律，根据超声波的声压和辐射面积，估算超声换能器的声辐射力。

需要注意的是，这个公式仅适用于近场条件下的声辐射力计算。

在远场条件下，声辐射力会随距离的增加而减小。

此外，该公式仅适用于理想情况下的均匀辐射，实际情况中的辐射行为可能受到换能器的具体设计、声场传播和材料特性等因素的影响。

在实际应用中，为了准确计算超声换能器的声辐射力，需要考虑更多复杂的因素和实际参数。

因此，具体的声辐射力计算通常需要借助数值模拟、实验测试和更复杂的声学模型来进行准确评估。

【实验目的】1．了解压电换能器的功能，加深对驻波及振动合成等理论知识的理解。

2．学习用共振干涉法、相位比较法和时差法测定超声波的传播速度。

3．通过用时差法对多种介质的测量，了解声纳技术的原理及其重要的实用意义。

【实验原理】在波动过程中波速V 、波长λ和频率f 之间存在着下列关系：λ∙=f V ，实验中可通过测定声波的波长λ和频率f 来求得声速V 。

常用的方法有共振干涉法与相位比较法。

声波传播的距离L 与传播的时间t 存在下列关系：t V L ∙= ，只要测出L 和t 就可测出声波传播的速度V ，这就是时差法测量声速的原理。

1．共振干涉法（驻波法）测量声速的原理：当二束幅度相同，方向相反的声波相交时，产生干涉现象，出现驻波。

对于波束1：)/X 2t cos(A F 1λ∙π-ω∙=、波束2：()λ∙π+ω∙=/X 2t cos A F 2，当它们相交会时，叠加后的波形成波束3：()t cos /X 2cos A 2F 3ω∙λ∙π∙=，这里ω为声波的角频率，t 为经过的时间，X 为经过的距离。

由此可见，叠加后的声波幅度，随距离按()λ∙π/X 2cos 变化。

如图28.1所示。

压电陶瓷换能器1S 作为声波发射器，它由信号源供给频率为数千周的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而换能器2S 则作为声波的接收器，正压电效应将接收到的声压转换成电信号，该信号输入示波器，我们在示波器上可看到一组由声压信号产生的正弦波形。

声源1S 发出的声波，经介质传播到2S ，在接收声波信号的同时反射部分声波信号，如果接收面（2S ）与发射面（1S ）严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与发射波相干涉形成驻波。

我们在示波器上观察到的实际上是这两个相干波合成后在声波接收器2S 处的振动情况。

移动2S 位置（即改变1S 与2S 之间的距离），你从示波器显示上会发现当2S 在某些位置时振幅有最小值或最大值。

根据波的干涉理论可以知道：任何二相邻的振幅最大值的位置之间（或二相邻的振幅最小值的位置之间）的距离均为2/λ。

2004年第18卷第2期测试技术学报V ol.18　N o.2　2004 (总第48期)JOURNAL OF TEST A ND MEASUREMENT TEC HNOLOGY(Sum N o.48)文章编号:1671-7449(2004)02-0095-04脉冲波声场的数值计算与测试研究彭应秋,李　坚,李秋峰,卢　超,郑初华,陈兵芽(南昌航空工业学院测控系,江西南昌330034)摘　要:　针对超声检测中影响缺陷定量准确性的声场问题进行了深入讨论,研究了脉冲波声场的计算方法,设计了相应的计算软件并绘制出实用换能器声轴线上的声压分布曲线,分析了不同材料和厚度的采样回波对频谱的影响,比较了连续波声场和脉冲波声场的分布特性及异同点.对脉冲波声场的测试结果表明,数值计算和实测结果有较好的一致性.本研究结果为提高超声检测中缺陷定量的准确性和科学性提供了依据.关键词:　声场测试;超声检测;脉冲波声场;声压分布;缺陷当量;超声换能器中图分类号:　O422.2;O426 文献标识码:AComputerizing and Measuring for Acoustic Field ofPulse Ultrasonic WavePEN G Ying-qiu,LI J ia n,LI Qiu-feng,LU Chao,ZHENG Chu-hua,C HEN B ing-y a(Nanchang Institute o f Aero na utical T ech no lo gy,N ancha ng330034,China)Abstract:　The aco ustic field character o f the ultrasonic pulse w av e in ultraso nic testing is discussed deeply.It is know n tha t th e field cha racter influences g reatly on the accuracy o f flaw equiv alent in the testing.The m ethod of calculating the acoustic field o f pulse ultraso nic wav e is researched a nd the rela-tiv e special-purpose so ftw are is designed;the distributio n of aco ustic pressure o n axis of the com mercial ultraso nic transducer is calculated and plo tted in the lig ht of computer a nd the softwa re.It is discussed that spectrum of the bo ttom echoes ho w to be influenced by materials a nd thickness.The aco ustic field cha racter o f the pulse wav e radia ted by the co mmercial transducer is com pared w ith that o f ideal co ntinu-ous m ono-frequency wav e.The acoustic field of the pulse wav e source is measured,the m easuring v alue is in acco rdance with the calculating results o n the who le.The results provide scientific basis fo r im-provements o f accuracy o f flaw equiv alent in ultrasonic testing.Key words:measuring for acoustic field;ultraso nic testing;aco ustic field of ultraso nic pulse w av e;dis-tribution o f acoustic pressure;flaw equiv alent;ultrasonic transducer在实际超声检测中,人们普遍使用的是多频脉冲波而不是单频连续波.众所周知,多频脉冲波的声场不同于单频连续波的声场.但两者究竟有多大程度的不同,对缺陷当量的确定有多大影响,则缺乏定量的研究.本文着重研究这两种声场的异同点及其对缺陷定量的影响,介绍了一种对脉冲波声场进行快捷分析的新方法.测试了实用换能器发射的脉冲波声场并与理论计算结果进行了比较.1　连续波声源声轴线声压分布超声检测中常使用纵波法,纵波探头大多使用圆晶片,这样的声源简称圆盘源,圆盘源幅射单频连续波时,其声轴线上的声压振幅[1,2]收稿日期:2003-09-23　基金项目:航空科学基金资助项目(01G56003);江西省测控研究中心基金资助项目(2001.007)　作者简介:彭应秋(1945-),男,教授,主要从事声场、超声检测、超声换能器等方面的研究.P (z )=2P 0sinπλa 2+z 2-z ,(1)式中:P 0=d CU 0;d C 为传声介质的特征声阻抗,其值等于介质密度d 和声速C 的乘积;U 0为声源振动时图1　连续波声轴线上的声压分布Fig .1　Acous tic amplitud e dis tribu tion on axis of a circularplane pis ton emitting con tin uous wave 的速度振幅.在一定辐射条件下,P 0可看作常数;λ为介质中的声波波长;a 为圆盘声源半径;z 为观察点至声源中心的距离.图1是某圆盘源幅射单频连续波时,声轴线上的声压分布曲线.图1中N 为近场长度,当a λ时N ≈a 2/λ.(2) 由式(1)和图1可见,当声源及介质一定时(即P 0,λ,a 为常数时),入射至观察点的声压是距离z 的正弦函数,在近场区内,声压最大值为2P 0,最小值为0,其变化范围为0～2P 0之间.由此不难推断:对单频连续波而言,即使两个完全相同的缺陷,如果位于不同距离z 处,其回波高度也会有相当大的差异.这就会给缺陷定量带来误差.由图1可见,当z >N 时,声轴线上的声压振幅P (z )随距离z 单调下降,不再有起伏波动.当z ≥3N 时,声轴线上的声压[3]P (z )=P 0F /λz ,(3)式中:F =πa 2为声源面积.式(3)是超声检测中用以推导规则反射体回波声压的基本公式,是超声检测中缺陷当量计算的基础.当缺陷位于N 与3N 之间时,用计算法确定缺陷当量就会有相当大的误差,距离越近,误差越大.例如,当声程z =N 时,由式(1)可求得此处的声压P (z )=2P 0,但若用远场式(3)计算,则可得此点的声压为πP 0,其误差高达57%,这显然是不能接受的.实际超声检测中基本上是使用多频脉冲波,此时在远场中使用单频连续波的公式是否合理,其近场有何特性,能否对多频脉冲波的声场进行数值分析,是人们最关心的,也是本文研究的重点.2　脉冲波声源的声场分布非重复的脉冲波是一种瞬态扰动,瞬态扰动f (t )可看作无限多个谐扰动g (k )的叠加,即[4]f (t )=∫∞-∞g (k )e j k t d k ,(4)式中:g (k )为f (t )的谱密度函数或频谱函数.相对于某个指定频率k ,其g (k )的模值可看作该k 处的幅度,因此g (k )函数的模称为f (t )的幅度谱.求解g (k )的过程称为频谱分析,其值可通过式(6)的反演得出,即g (k )=12π∫∞-∞f (t )e -j k t d t .(5) 在f (t )即脉冲波的时域波形已知的情况下,通过快速傅立叶变换(FFT),可由计算机求出g (k )的值,从而得到相应于不同频率的幅度分布曲线,即频谱曲线,如图2所示.图2是对某国外直探头(标称f 为5M Hz 、r 为0.25″)的频谱分析结果.由图2可见,其中心频率偏离标称频率达20%.因频谱曲线中相对于每个频率的g (k )分量都会对该声源的声场做出贡献,故声轴线上的总声压P (z )为各分量P i (z )的合成:设该脉冲波声场中某点的总声强为I ,各分量在该点的声强为I i ,则i = n i =1I i ,又因为P = ni =1P 2i ,故声轴线上某点的声压P (z )可表示为[3]P (z )= n i =1P2i (z ),(6)96测试技术学报2004年第2期式中:n 的大小取决于数值计算时所取的步长.图3是圆盘源作脉冲辐射时,依据式(6)得出的声轴线上的声压分布曲线.由以上分析可见,脉冲波源声轴线上的声压求解步骤为:①超声回波采样;②高速A /D 转换;③FFT 变换;④声压P (z )计算与绘图.按此步骤可一次性地绘制出脉冲波源声轴线上的声压分布曲线.计算是利用解析式(1)、针对特定探头的脉冲回波进行的,由于未使用近似公式,因此其实用性和准确性大为提高,而且近场(严格地讲是3倍近场内)中的声压特性亦通过计算得出,这有利于在3倍近场内用较为准确的插入法确定缺陷当量,也有利于简化实用AV G 曲线的制作.图3所示的声压分布曲线与很多超声检测专著中给出的实用换能器的校正曲线有较好的相似性[5],这也从一个侧面证明了本计算结果的科学性.图2　某商品探头的频谱Fig .2　Spectrum of a mark etab leprobe 图3　脉冲波源声轴线上声压分布Fig .3　Acous tic p ress ure amplitud e distribu tion on-axis of a probe emitting pu lse w av e with cen tral frequency 2.37M Hz由图3可见,实用换能器辐射的脉冲波声场在近场区内虽也存在极大极小值,但波动幅度小,各极小值远大于零,并且彼此不相等,各极大值之间亦如此.如前所述,对单频连续波而言,声轴线上的最大声压为2P 0,最小值为0,两者的比值为2P 0/0=∞.而图3所示的脉冲波声压曲线,其最大、最小值之比为2左右.而且计算结果证实:脉冲波的波形愈窄(即频带愈宽),则两者的值愈接近.因近场区内确定缺陷当量是用对比试块加插入法,故由以上分析可知,使用窄脉冲探头不仅能提高分辨力,而且能提高缺陷定量的准确性.这也是要求高分辨力超声检测时,普遍使用窄脉冲探头的原因.由图3还可看到,在靠近声源处,即z 值很小时,虽然也存在极大极小值,但声压变化幅度甚小.这是因为愈靠近声源,各频率分量的极值点愈密集,且位置相互错开,这样相互叠加的结果就使总声压趋于平缓.这也是宽带探头不同于单频波探头的显著特点之一,该特点为确定声源近处的缺陷当量提供了理论依据.在远场区,脉冲波声场与连续波声场有类似的变化趋势,随着距离的增加,两者所对应的声压值越来越接近.这说明中心频率附近的能量在远场声压分布中具有决定性的作用.也与经典声学理论的结论相符[5].3　采样回波的选择对频谱的影响由前面的分析可见,声场的数值计算必须在频谱分析的基础上进行,为此必须考虑频谱的影响因素.本文对超声回波的采样频率为100M Hz,此采样频率能满足常规超声检测信号采样精度的要求.被采超声脉冲为CSK-IA 试块上厚度为25mm 的大平底回波.之所以采样此回波是由于换能器在探伤仪高频、高压、宽带电脉冲激励下,产生的超声始波虽能准确地反映该换能器的幅频特性,但始波和激励它的电脉冲之间很难在时域上做出完全有效的分离,故采样与分析都有相当的难度,因此在超声频谱分析中,通常不是分析始波而是分析大平底回波,并以大平底回波的幅频特性来表示换能器的幅频特性.其理论依据是:超声波在两种理想介质的界面上的声压反射率表达式r =(Z 2-Z 1)/(Z 2+Z 1)与频率无关,式中Z 1和Z 2分别为两种介质的声阻抗.例如对于金属/空气界面,各种频率分量的反射率都趋于 1.因此若能忽略声波在传播过程中的材质衰减因素,则用底面回波代替始波来表现换能器的频谱特性是可行的.考虑到材质衰减系数(例如金属中的散射衰减)与声波的频率有关,为减小这一影响因素,宜选择材质衰减系数较小且厚97(总第48期)脉冲波声场的数值计算与测试研究(彭应秋等)度较薄的试块的大平底回波作为采样信号使之尽量接近超声始波的频谱特性.为比较不同材质不同声程大平底回波的频谱特性差异,我们进行了对比实验,实验结果表明:试件厚度和材质的适度变化对回波频谱分析并不会造成太大的影响.当然,为减小频谱分析误差,为使底面回波尽量接近发射波的频谱,我们建议在满足回波采样时限的前提下,尽量选择声程较小的试件回波,并尽量选择材质衰减系数较小的材料为采样试件.这也是本文选择CSK -IA 试块的25m m 厚度大平底面回波进行分析的原因.实验也表明只要回波信号确实能表征换能器的幅频特性,则其所得的幅频曲线用于其他材质中的声场计算,其误差也可以接受.4　脉冲波声场的测试分析为验证瞬态波声场的计算结果,利用声场测试设备对圆形活塞源幅射瞬态信号对其声轴线上的声压进行了测试,测试方法是:将点状接收器置于活塞源声场中,反复调节使其位于声源的声轴线上,然后调节点图4　脉冲声源声轴线上声压振幅分布Fig .4　Acous tic pres su re amplitude dis tributionon-axis of a puls e wave s ource接收器离声源的距离,从而得到声轴线上声压的距离分布曲线,测试结果如图4中点划线所示,其中*号代表相应距离的声压实测值.将其和理论计算结果(图4中实线所示)比较可见,两者有较好的一致性.在测试中之所以选用点状接收器,是为了减少接收器本身对原声场的干扰,减少原声场的畸变(因为接收器本身在声场中相当于一个散射体),提高测试结果的准确性.不过对于兆赫兹数量级的频率而言,制作点状接收器有一定的难度,因为点状接收器的基本要求是:其尺寸远小于波长,例如中心频率为 2.5M Hz 的瞬态信号,在水中对应此中心频率的波长约为0.6mm ,从制作工艺和接收灵敏度考虑,要使接收器的尺寸远小于0.6mm 是困难的,而且实际声源并未固定于刚性界面上,因此测试结果与理论计算结果之间完全吻合是不可能的,但由图4可见,两者的变化趋势是相似的.从而可证明理论计算方法的科学性.5　结　论①对超声检测中实用换能器辐射的多频脉冲波,可用数值计算方法确定其频谱及声轴线上的声压分布,这为分析瞬态脉冲波声场提供了一种方便快捷的工具,也为提高缺陷定量的准确性提供了条件.②计算结果表明,多频脉冲波在近场内的声压分布较单频连续波平缓,其最小值远大于零.这证实了人们对多频波声压分布特性的推断,为在近场区内较为准确地使用插入法确定缺陷当量提供了依据.③多频波声压出现最大值的位置在其中心频率所对应的单频连续波的一倍近场长度附近.这和有关文献提供的实测结果相符.④脉冲波的时域波形愈窄,则其频带愈宽,在近场区内的声压波动幅度愈小,故使用窄脉冲探头有利于提高近场区内缺陷定量的准确性.⑤在远场区,脉冲波的声压变化类似于其中心频率所对应的单频波的声压变化.这说明在远场中,中心频率附近的能量对声场分布具有决定性的作用.也说明在3倍近场外,用单频波声压式(3)计算缺陷当量有其合理性.此结论与经典声学理论相符.⑥瞬态脉冲波声压的数值计算和实测结果有较好的一致性,从而证明了数值计算方法的有效性.参考文献:[1]　何祚镛,赵玉芳.声学理论基础[M ].北京:国防工业出版社,1981.237-259,315-326.[2]　李家伟,陈积懋.无损检测手册[M ].北京:机械工业出版社,2002.155-165.[3]　胡天明.超声波探伤[M ].武汉:武汉测绘科技大学出版社,1995.63-74.[4]　Kinsler L 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超声换能器参数全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：超声换能器是一种能够将电能转换成声能的装置，广泛应用于医疗、工业、生产和科研领域。

超声换能器的性能参数是评价其质量和性能的关键指标，不同应用场景中的超声换能器参数也有所不同。

在选择超声换能器时，了解其参数对于正确使用和优化超声技术至关重要。

常见的超声换能器参数包括频率、功率、灵敏度、带宽、直径和焦距等。

不同参数对于超声换能器的性能和应用有着重要的影响。

首先是频率，频率是超声换能器发出声波的振动频率，一般以千赫（kHz）为单位。

不同频率的超声换能器在不同领域有不同的应用，高频率的换能器通常用于精细的医疗成像和治疗，而低频率的换能器则更适合工业应用中的密封、焊接和清洗等操作。

其次是功率，功率是指超声换能器转换电能成声能的能力，通常以瓦（W）为单位。

功率越大的超声换能器通常具有更好的穿透力和清洁效果，适用于处理较大面积或密度较高的材料。

第三是灵敏度，灵敏度是指超声换能器接收声波的能力，一般以毫伏（mV）为单位。

较高的灵敏度可以提高换能器的接收效率，更精确地检测声波信号。

带宽是超声换能器所能接收或发射声波的频率范围，一般以千赫（kHz）为单位。

带宽越宽的超声换能器能够传输更多种类的声波信号，适用于复杂的应用场景。

直径和焦距是超声换能器的物理尺寸参数，直径通常以毫米（mm）为单位，焦距以厘米（cm）为单位。

直径和焦距的大小决定了超声波的聚焦效果和传播范围，不同尺寸的超声换能器适用于不同尺寸和形状的工件处理。

除了以上参数外，超声换能器的耐磨性、防水性、耐高温性、使用寿命等也是需要考虑的重要因素。

在选择和使用超声换能器时，需要根据具体的应用场景和需求来合理选取参数和进行操作。

超声换能器参数是评价超声技朧器性能和质量的重要标准，正确选择和使用超声换能器的参数对于提高工作效率、质量和安全性具有重要意义。

希望以上介绍能为大家选择和使用超声换能器提供一定的参考和帮助。

超声波仪器、探头主要组合的性能测定主要性能测试项目及其性能指标1、电噪声电平（%）仪器灵敏度置最大，发射置强，抑制置零或关，增益置最大，衰减器置“0”，深度粗调、深度微调置最大。

读取时基线噪声平均值，用百分数表示。

2、灵敏度余量（dB）a)使用2.5MHz、Φ20直探头和CS－1－5或DB--PZ20—2型标准试块。

b)连接探头并将仪器灵敏度置最大，发射置强，抑制置零或关，增益置最大。

若此时仪器和探头的噪声电平(不含始脉冲处的多次声反射)高于满辐的10％，则调节衰减或增益，使噪音电平等于满辐度的10％记下此时衰减器的读数S0。

图1 直探头相对灵敏度(灵敏度余量)测量c)将探头置于试块端面上探测200mm处的i2平底孔，如图17所示。

移动探头使中Φ2平底孔反射波辐最高，并用衰减器将它调至满辐度的50％，记下此时衰减器的微S l，则该探头及仪器的探伤灵敏度余量S为：S=S1--S0(dB)3、垂直线性误差测量（%）(1)连接探头并在试块上探测任一反射波(一般声程大于50mm)作为参照波，如图2所示。

调节探伤仪灵敏度，使参照波的辐度恰为垂直刻度的100％，且衰减器至少有30dB的余量。

测试时允许使用探头压块。

图2 垂直线性误差测量(2)用衰减器降低参照波的辐度，并依次记下每衰减2dB时参照波辐度的读数，直至衰减26dB以上。

然后将反射波辐度实测值与表l中的理论值相比较，取最大正偏差d(+)与最大负偏差d(-)，则垂直线性误差△d用式(1)计算：△d=｜d(+)｜+｜d(-)｜ (1)(3)在工作频率范围内，改用不同频率的探头，重复(1)和(2)的测试。

dB）(1)连接探头并在试块上探测任一反射波(一般声程大于50mm)作为参照波。

(2)调节衰减器降低参照波，并读取参照波辐度自垂直刻度的100％下降至刚能辨认之最小值(一般约为3～5％)时衰减器的调节量，此调节量则定为该探伤仪在给定频率下的动态范围。

(3)按(1)和(2)条方法，测试不同频率不同回波时的动态范围。

超声声场测定的常用参数2024（全文）聚焦超声声场测定涉及多个关键参数，这些参数的具体数值会根据不同的设备、应用场景和测矗条件而有所变化。

以下是一些常用的参数及其一般性的描述，但请注意，这些描述并不包含具体的数值，因为具体的数值需要根据实际情况进行测益和确定。

一、常用参数声压(Sound Pressure)描述：声压是表示声波在介质中传播时引起的压力变化的物理量，通常以帕斯卡(Pa)为单位。

重要性：声压是衡量超声波能量大小的重要指标，对千聚焦超声而言，焦点处的声压值通常较高，是评估治疗效果的关键参数。

声强(S ound Intensit y)描述：声强是单位时间内通过单位面积的声能量，通常以瓦特每平方米(W/m2)为单位。

重要性：声强反映了超声波在传播过程中的能量密度，对千确定治疗区域和避免对周围组织造成损伤具有重要意义。

声功率(Sound Power)描述：声功率是声源在单位时间内辐射的总声能益，通常以瓦特(W)为单位。

重要性：声功率是衡晕超声设备性能的关键指标，它决定了超声波能够传递的总能量。

焦点声强(F ocal Intensity)描述：焦点声强是聚焦超声在焦点处的声强值。

重要性：焦点声强是衡量聚焦效果的重要参数，它决定了治疗区域的大小和治疗效果。

声焦域(Focal Zone)描述：声焦域是指超声波聚焦后形成的具有一定声强分布的区域。

重要性：声焦域的大小和形状对千治疗效果至关重要，它决定了治疗区域的精确度和范围。

频率(Fr equenc y)描述：频率是超声波的振动次数，通常以赫兹(Hz)为单位。

重要性：频率决定了超声波的穿透能力和聚焦效果，对千不同深度和类型的组织治疗，需要选择合适的频率。

焦距(Focal Len gth)描述：焦距是从超声换能器到焦点的距离。

重要性：焦距决定了治疗区域的深度和位置，对千精确控制治疗区域具有重要意义。

8．能量通量密度(E F D)能量通量密度(E F D)，有时也称为能量通量、能量密度或脉冲强度积分(PI I)，它以mJ/m m2表示，通过将声能除以面积获得，即定义为每单位面积每个脉冲传输的能量。

实验二 单阵元圆形超声换能器辐射声场分布特性测试与分析李武松 生基硕81 08123011一、实验目的1、 复习单阵元超声换能器声场分布特性的理论知识，包括单阵元圆形聚焦和非聚焦换能器。

2、 学习利用针式水听器测试换能器声场特性的原理及方法。

3、 利用实验室Panametrics 多扫描系统测量5 MHz 、3.5MHz 、2.25 MHz 、1MHz 聚焦或非聚焦Panametircs 换能器声场分布，掌握实验过程和数据的计算机处理方法。

4、 比较同频率聚焦换能器与非聚焦换能器的声场特性；比较不同频率的聚焦换能器的声场特性、不同频率的非聚焦换能器的声场特性，并分析声场特性随频率的变化规律；二、数学物理原理Ⅰ 诊断超声换能器的声场特性超声辐射场是指超声能量分布的空间，即超声换能器所发射的超声波到达的区域，接受超声治疗与检测的区域均属于超声场的部分。

各种换能器辐射的超声场取决于换能器本身的特性、尺寸、形状等。

1. 单阵元非聚焦超声换能器的声场特性根据声学理论，一个有限尺寸的换能器或阵的辐射声场，可以按照惠更斯原理进行分析，即将换能器或阵的有效辐射面，看作是无数点声源的组合。

辐射声场中某一点的声压是辐射面上所有的点源在该点产生的声压叠加的结果，因而可以通过对整个辐射面的积分来计算，如图1所示。

图1 圆片换能器轴向辐射对于实验所用的单源圆形平面换能器，其轴线上任意一点的声压公式为：122202sin[()]sin()z p p a z z t ka πωλ=+-- (1)其中，0p 为声源处起始声压；a 为圆片半径；z 为该点距离声源的距离；ω为角频率；2k πλ=，λ为波长，声压随时间作周期性变化。

声压振幅：122202sin[()]m p p a z z πλ=+- (2)当2z a >时， 202sin()2m a p p zπλ= (3)又当23a z λ>时，22sin()22a a z z ππλλ≈，所以200m p a p S p z zπλλ==（2S a π=，即圆盘面积） (4) 从上式可以看出，m p 与z 成反比，即当z 足够大(23a z λ>)时，圆形声源轴线上的声压随距离的增加而衰减，如图2：图2 圆片换能器（a ）声束（b ）轴线上声压分布在近场有极大极小值，这是由于在靠近声源处，换能器平面边缘和平面中心辐射声波到达轴线上某点波程差不同引起声波相互干涉的结果。

超声波换能器检测方法
超声波换能器的检测方法主要包括以下步骤：
1. 参数检测：检测换能器参数是否与电箱参数匹配，是否能达到理想效果。

2. 使用万用表分别测量换能器的电阻和电容值，比较数据与规格书上的数据是否相符。

3. 将换能器连接到示波器上，并用信号发生器发出不同频率的信号，观察示波器上显示的波形是否正确。

4. 将换能器连接到超声波检测仪上，通过控制信号发生器的输出电压和频率，观察检测仪上的显示结果。

如果显示正常，则说明换能器正常工作。

以上步骤完成后，您就可以对超声波换能器进行全面的检测了。

超声波声场的计算方法1. 前言超声波声场是指由超声波产生的声波在介质中的传播情况，它在医学、工业、材料科学等领域得到了广泛应用。

为了能够更好地利用超声波技术，需要对超声波声场进行计算和分析。

本文将介绍超声波声场的计算方法，对于超声波技术的研究和应用具有一定的参考价值。

2. 超声波声场的概念超声波是一种机械波，它的频率比人类听力范围内的声波高得多，通常超过20kHz。

超声波产生的声波在介质中的传播受到介质本身的影响，因此声场不同的介质中会有所不同。

超声波声场通常包括波源、介质和接收器三个部分。

当超声波发射源在介质中发出声波时，声波在介质中传播，与介质中的物体相互作用，最终到达接收器。

声波在介质中的传播路径和强度分布称为声场，它是基于超声波的物理特性和介质特性计算出来的。

3. 超声波的物理特性超声波的物理特性与频率、波长、速度、衰减等因素有关。

对于声场计算而言，最重要的是波长和速度。

超声波的波长λ是指声波在介质中传播一定距离后所表现出的周期性特征长度。

波长与频率f和超声波速度c的关系为λ=c/f，即波长与频率成反比。

因此，频率越高，超声波的波长越短。

超声波速度c是指声波在介质中传播的速度。

超声波的速度与介质的物理性质（如密度、压缩模量、剪切模量等）有关。

在空气中，声波传播的速度是343米/秒左右，而在水中，声波的传播速度大约是1500米/秒。

4. 超声波声场的计算方法超声波声场的计算方法可以分为理论计算和实验计算两种。

其中理论计算是在对介质物理特性进行分析基础上进行的计算，而实验计算是基于实验测量数据进行的计算。

4.1 理论计算方法超声波声场的理论计算方法主要包括有限元法、有限差分法、有限体积法和辐射方程法。

（1）有限元法有限元法是一种计算机辅助绘图和数值分析手段，它可以对复杂的声场进行模拟分析。

有限元法将复杂的声场模型分解成为许多简单的单元，在每个单元内对声场进行分析计算，并通过单元之间的相互作用来得到整个声场。

超声波换能器的参数及工作方式类型超声波换能器是一种能够将电能转换为超声波能量的装置。

它由压电材料组成，通过电场的作用使材料发生压缩和膨胀，从而产生超声波。

本文将从超声波换能器的参数和工作方式类型两个方面对其进行详细介绍。

一、超声波换能器的参数超声波换能器的参数对其性能和应用有着重要影响，主要包括频率、振幅、工作电压和灵敏度等。

1. 频率：超声波换能器的频率通常指的是压电材料的固有频率，即在不加电场的情况下，材料自身振动的频率。

超声波换能器的频率范围很广，从几十千赫兹到几百兆赫兹不等，可以根据具体应用需求选择适当的频率。

2. 振幅：超声波换能器的振幅是指材料在电场刺激下产生的最大机械振幅。

振幅的大小与换能器的尺寸、材料性质和工作电压等因素相关，通常通过调节工作电压来控制振幅的大小。

3. 工作电压：工作电压是指施加在超声波换能器上的电压，通过改变电压的大小和频率可以控制超声波的产生和输出。

工作电压的选择要考虑到换能器的耐受能力和应用需求。

4. 灵敏度：超声波换能器的灵敏度是指它对输入信号的敏感程度。

灵敏度越高，换能器对输入信号的响应越快速、准确。

灵敏度的大小与换能器的材料性质和结构设计等因素密切相关。

二、超声波换能器的工作方式类型根据超声波换能器的工作方式不同，可以将其分为压电式、磁电式和电动力式三种类型。

1. 压电式超声波换能器：压电式超声波换能器是应用最广泛的一种类型。

它利用压电效应将电能转化为机械能，通过电场的作用使压电材料发生压缩和膨胀，从而产生超声波。

压电式超声波换能器具有频率范围广、振幅大、能量转换效率高等优势，被广泛应用于医学成像、无损检测、清洗和声纳等领域。

2. 磁电式超声波换能器：磁电式超声波换能器利用磁电效应将电能转化为机械能。

它通过电磁场的作用使磁电材料发生形变，从而产生超声波。

磁电式超声波换能器具有振幅大、频率稳定等特点，适用于高功率和高频率的应用。

3. 电动力式超声波换能器：电动力式超声波换能器是一种利用电动力效应将电能转化为机械能的装置。

何谓超声波换能器的共振状态为什么要在换能器的共振状态下
测定声波的波长
1、超声换能器（压电陶瓷谐振换能片）是一种电致伸缩陶瓷材料,它有一个固有频率.如果外来驱动信号的频率和这个固有频率相同,换能片的总体外特性就会呈纯阻性,换能效率最高.这就是它的共振（谐振）状态。

2、共振是有条件的,对于管共振来讲,一般是1/4波长共振,计算公式是：声波的1/4波长＝管的长度＋管径折算的有效长度；当发生共振后,就可以用管的长度和管径计算出波长,并计算出声速（频率乘波长＝声速）；不发生共振就计算不出波长,那声速就无法计算；判断测量系统是否处于共振状态就是测量声波能量是否处于最大,方法是用频率扫描,当声能量输出为最大时,记录输出频率,然后计算；对于管共振测量声速有一个缺陷,就是管径折算的有效长度问题；通常测量声速用驻波方法,测量驻波的相邻波峰或波节（半波长）；
超声波换能器是一种能把高频电能转化为机械能的一种装置,一般有磁致伸缩式和压电陶瓷式.电源输出到超声波发生器,再到超声波换能器,一般还要经过超声波导出装置就可以产生超声波.
超声波换能器由中央压电陶瓷元件,前后金属盖板,预应力螺杆,电极片以及绝缘管组成.这种夹心换能器(亦称：螺栓紧固型换能器)在负荷变化时产生稳定的超声波,是获得功率超声波驱动源的最基本最主要的方法.
根据不同的设计,超声波换能器的形状主要有柱型(前后金属盖板直径相同)、喇叭型(前盖板直径通过弧型过度缩小)。