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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。
问答题1.将超声波直探头置于IIW1试块侧面上探测100mm距离的底波,如下图所示在第一次底波与第二次底波之间前两个迟到波各是什么波型?（前面为L-L-L波,后面为L-S-L波）2．何谓超声波？它有哪些重要特性？答：频率高于20000Hz的机械波称为超声波。
重要特性：①超声波可定向发射，在介质中沿直线传播且具有良好的指向性。
②超声波的能量高。
③超声波在界面上能产生反射，折射和波型转换。
④超声波穿透能力强。
3．产生超声波的必要条件是什么？答：①要有作超声振动的波源（如探头中的晶片）。
②要有能传播超声振动的弹性介质（如受检工件或试块）。
4.在棒材圆周面上进行超声探伤时,第一次底波与第二次底波之间可见到有两个迟到波,如下图所示,请指出这两个迟到波各是什么波型?（前面为L-L-L波,后面为L-S-L波）5．一个探头的标记为5I 20SJ 20DJ，试说明其中数字和字母的含义？答：5：频率5MHZ；I：压电晶片材料碘酸锂单晶；20：圆晶片直径20mm；SJ：水浸探头；20DJ：点聚焦，水中焦距20mm6.画出下图中不同情况下声波的收敛或发散的情况:（答案从略）7.在下图中画出超声纵波从钛合金中以45°斜入射到钢中的反射与折射情况:C钛L=6150m/s C钛S=3150m/s C钢L=5850m/s C钢S=3200m/s（答案从略）8．液体中为什么只能传播纵波，不能传播横波？答：凡能承受拉伸或压缩应力的介质都能传播纵波，液体虽然不能承受拉伸应力，但能承受压应力而产生容积变化，故液体介质可传播纵波。
介质传播横波时，介质质点受到交变的剪切应力作用，液体介质不能承受剪切应力，故横波不能在液体中传播。
9．简述影响超声波在介质中传播速度的因素有哪些？答：①超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量和介质的密度有关。
对一定的介质，弹性模量和密度为常数。
不同介质，声速不同。
②超声波波型不同时，声速也不一样。
同一介质，传播不同类型声波时，声速也不相同。
一、超声波的物理基础1．超声波是指频率超过人耳听觉范围(20～20 000Hz)的高频声波，即：超声波频率是>20 000Hz的机械（振动）波。
次声波频率＜20Hz。
2．超声波属于声波范畴，它具有声波的共同物理性质。
例如：必须通过弹性介质进行传播，在液体、气体和人体软组织中的传播方式为纵波（疏密波）；具有反射、折射、衍射和散射的特性，以及在不同介质中（空气、水、软组织、骨骼）分别具有不同的声速和不同的衰减等。
3．诊断最常用的超声频率是2～10MHz（1MHz=106Hz）。
二、基本物理量超声波有三个基本物理量。
即：频率(f)、波长（λ）和声速(c)。
计算公式如下：λ=c／f ，或者c= λ²f由于频率不同的声波在同一介质中传播的声速(c)基本相同，因此，当c不变= λ↑²f↓，说明超声波波长（λ）与频率(f)呈反比。
即频率愈高，波长则愈短，穿透力差；频率愈低，波长则愈长，穿透力强，与X线相反，不要搞混了。
在不同的介质中，声速有很大的差别：空气(20℃)344m/s 水(37℃)1524m/s肝脏1570m/s 脂肪1476m/s颅骨3360m/s人体软组织的声速平均为1540m/s，与水的声速相近。
骨骼的声速最高，相当于软组织平均声速的2倍以上。
（一）超声场超声场是指发射超声在介质中传播时其能量所达到的空间区域。
超声场简称声场，或称声束。
（二）声场特性1．扫描声束的形状、大小及声束本身的能量分布，随所用探头的形状、大小、阵元数及其排列、工作频率（超声波长）、有无聚焦以及聚焦的方式不同而有很大的不同。
此外，声束还受人体组织不同程度的吸收衰减、反射、折射和散射等影响，即超声与人体组织间相互作用的影响。
因此，超声束与X线束相比，两者之间有着显然的区别。
人体组织内超声束的具有复杂多变性。
2.声束由一个大的主瓣和一些小的旁瓣组成。
超声成像主要依靠探头发射高度指向性的主瓣并接收回声；旁瓣的方向总有偏差，容易产生伪像。
物理基础第一节声波的定义及分类一、定义物体的机械性振动在具有质点和弹性的媒介中的传播现象称为波动，而引起听觉器官有声音感觉的波动则称为声波。
根据声波的传导方向与介质的的振动方向的关系，声波有纵波和横波之分。
二、横波所谓横波是指介质中的质点都垂直于传播方向运动的波。
人体的骨骼中，不但传播纵波，还传播横波。
三、纵波即介质中质点沿传播方向运动的波。
在纵波通过的区域内，介质各点发生周期性的疏密变化，因此纵波是胀缩波。
理想流体(气体和液体)中声振动传播方向与质点振动方向是平行的，只存在于纵波。
人体中含水70—80％，故除骨路、肺部以外软组织中的声速和密度均接近于水。
目前医用超声的研究和应用主要是纵波传播方式。
第二节超声显像物理基础一、超声波基本物理量1、超声波是声源振动的频率大于20000 Hz的声波。
2、超声波有三个基本物理量，即频率（f），波长（λ），声速（c），它们的关系是：c=f·λ或λ=c/f，传播超声波的媒介物质叫做介质，不同频率的超声波在相同介质中传播时，声速基本相同。
3、相同频率的超声波在不同介质中传播，声速不相同，人体软组织中超声波速度总体差异约为5％。
因此目前医用超声仪一般将软组织声速的平均值定为1541m/s。
通过该声速可测量软组织的厚度，由于目前超声仪所采用的是脉冲回声法，故该回声测距的公式是：t组织厚度=Ｃ·───2利用超声方法进行测距的误差也是5％左右。
4、声阻抗是用来表示介质传播超声波能力的一个重要的物理量，其数值的大小由介质密度ρ与声波在该介质中的传播速度c的乘积所决定，即：Z=ρ·c单位为Kg／m2·s。
5．临床常用的超声频率在2～10 MHz之间。
二、超声波的物理性能l、超声波在介质中传播时，遇到不同声阻的分界面且界面厚度远大于波长，会产生反射，反射的能量由反射系数R I=〔（Z2-Z1）/（Z2+Z1）〕2决定。
Z1、Z2为两种介质的特性声阻抗，Z=ρ·c (密度·声速）当Z1=Z2，为均匀介质，则RI＝0，无反射。
YYT0642–超声声场特性确定医用诊断超声场热和机械指数的试验方法1. 引言超声是一种重要的医用诊断工具，它被广泛用于医学实践中。
超声的声场特性对其诊断效果起着至关重要的影响。
为了确保医用超声设备的安全和有效性，需要进行声场特性的测试和评估。
本文介绍了YYT0642标准下的试验方法，用于确定医用诊断超声场的热和机械指数。
2. 背景医用超声设备发出的超声波在人体组织中传播产生声场，该声场具有特定的热效应和机械效应。
热效应主要由超声波在组织中的能量吸收引起，可能会导致组织变暖。
机械效应则是指超声波对组织的机械作用，可能会引起组织的压缩、拉伸等。
为了保证超声设备的安全性和有效性，需要对声场特性进行定量评估。
3. 试验方法3.1 试验设备•超声发射器：用于发射超声波。
•超声接收器：用于接收超声波。
•超声探头：包括发射器和接收器，用于产生声场和接收返回的超声波信号。
•运动控制装置：用于控制超声探头在三维空间中的移动。
3.2 试验流程1.设置试验参数：根据需要确定超声波的频率、脉冲重复频率、脉冲宽度等参数。
2.放置超声探头：将超声探头放置在试验区域，确保其与被测样品的接触良好。
3.调整超声发射器：根据设定的参数，调整超声发射器的输出以发射超声波。
4.接收超声信号：使用超声接收器接收返回的超声波信号。
5.数据采集与分析：使用数据采集系统采集接收到的超声信号，并对其进行分析。
根据超声信号的幅值、频谱等特征参数，计算声场的热和机械指数。
6.结果评估：根据计算得到的热和机械指数，评估声场的特性是否符合要求。
3.3 试验注意事项•进行试验前，应对试验设备进行校准，确保其准确性和稳定性。
•在试验过程中，应注意保持超声探头与被测样品的接触良好，以确保信号的质量。
•试验过程中需要记录和保存相关的数据和结果，以备后续使用和分析。
4. 结论通过YYT0642标准下的试验方法，可以有效地确定医用诊断超声场的热和机械指数。
这些指数对超声设备的安全性和有效性具有重要的指导意义。
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
C2ð2P
ðt2
=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<<c0，那么，式（2-1）可以表示为
∇2P−1
C2ð2P
ðt2
=−2∆c
c03
ð2P
ðt2
+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 ð2P
ðt
=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
c02ð2ψ
ðt2
=0（式2-4）
那么，换能器在空间任一点的声压为
P
r ,t=ρ0ð
ψ(
r
,t)
ðt
（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
ℎ
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=ρ0ðv(t)
ðt
∗ℎ(
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。
