超声平面非聚焦探头的声场特性

超声与次声(解析版)

超声与次声（解析版）

超声波和次声波是声波的两种形式，它们在不同领域有着广泛的应用。本文将详细解析超声和次声的特点、原理以及应用，帮助读者更好地理解这两种声波。

一、超声的特点和原理

超声是频率高于20kHz的声波，其特点如下：

1. 高频率：超声波的频率通常在20kHz至1GHz之间，远超人耳可听到的范围。这使得超声波具有很强的穿透力和传播能力。

2. 短波长：超声波的波长较短，能够有效地穿透和传播在其他波长下受到阻碍的介质中。

3. 方向性：超声波的传播是定向的，能够通过聚焦和反射来控制传播的方向。

4. 易于控制：超声波的传播速度较快，能够精确地测量距离和检测物体的位置。

超声波的原理基于声波在介质中的传播和反射。当声波遇到介质的边界时，会发生反射、折射和透射现象，通过测量这些现象可以获取目标物体的位置、形状以及材料性质等信息。

二、超声的应用领域 1. 医学影像学：超声在医学中应用广泛，通过超声波的传播和反射，医生可以实时观察人体内部的器官、组织和血液流动情况，辅助诊断疾病。

2. 工业检测：超声波能够穿透金属、非金属材料，用于检测和评估材料的质量、厚度、裂纹等缺陷。在航空、汽车、建筑等领域有重要应用。

3. 水下探测：超声波在水下传播能力强，能够用于水下地质勘探、潜水器控制和海底资源勘探等。

4. 生物科学：超声波可用于生物分子的纯化、分析和检测，具有无创和非侵入性的优势。

次声的特点和原理

次声是指频率低于20Hz的声波，其特点如下：

1. 低频率：次声波的频率通常在1Hz至20Hz之间，远低于人耳可听到的范围。这使得次声波在传播时会受到较大的阻尼和衰减。

2. 长波长：次声波的波长较长，传播距离短，容易在空间中发生干涉、衍射等现象。

3. 不易聚焦：次声波的传播不易聚焦，对于精确测量和定位较为困难。

4. 对颗粒物质的激发：次声波能够通过共振和激发颗粒物质，从而改变颗粒物质的结构和性质。 次声的应用领域

超声的物理特性

一、定 义

1．超声 为物体的机械振动波，属于声波的一种，其振动频率超过人耳听觉上限阈值[20000赫(Hz)或20千赫(kHz)]者。

2．超声诊断应用较高频率[1～40MHz，常用为2.2～10MHz间]超声作信息载体，从人体内部获得某几种声学参数的信息后，形成图形(声像图，血流流道图)、曲线(A型振幅曲线，M型心动曲线，流速频谱曲线)或其他数据，用以分析临床疾病。

二、声源、声束、声场与分辨力

声源 能发生超声的物体称为声源(sound Source)。

声束(sound beam) 是指从声源发出的声波，一般它在一个较小的立体角内传播。

近场与远场声束各处宽度不等。在邻近探头的一段距离内，束宽几乎相等，称为近场区，近场区为一复瓣区，此区内声强高低起伏；远方为远场区，声束开始扩散，远场区内声强分布均匀。

分辨力(resolution power) 分辨力为超声诊断中极为重要的技术指标。可分为两大类：基本分辨力及图像分辨力。

1．基本分辨力 指根据单一声束线上所测出的分辨两个细小目标的能力。正确分辨力的测定系两个被测小靶标移动至回声波形与波形间在振幅高度的50％处能分离时，此时两小点间距为确切的分辨力。模拟试块上测试分辨力受总增益及DGC(深度增益补偿)调节而明显改变，只供一般参考。基本分辨力又分3类：

(1)轴向分辨力：指沿声束轴线方向的分辨力。轴向分辨力的优劣影响靶标在浅深方向的精细度。分辨力佳则在轴向的图像点细小、清晰。通常用3—3.5MHz探头时，轴向分辨力在lmm左右。

(2)侧向分辨力：指在与声束轴线垂直的平面上，在探头长轴方向的分辨力。声束越细，侧向分辨力越好，其分辨力好坏由晶片形状、发射频率、聚焦效果及距离换能器远近等因素决定。在声束聚焦区，3～3.5MHz的侧向分辨力应在1.5～2mm左右。

物理基础 超声基础知识总结

基本概念一一人耳听觉范围： 20-20000HZ

超纵声波频率＞ 20000HZ――纵波（疏密波）：粒子运动 平行于波传播轴； 诊断最常用超声频率：2-10MH

基本物理量：频率（f）、波长（入）、声速（C）;三者关系：入=C/ f 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。

超声场：发射超声在介质中传播时其能量所达到的空间； 声束的影响因素：探头的形状、大小； 阵元数及其排列； 工作频率（超声的波长）； 有无聚焦及聚焦的方式；

吸收衰减； 反射、折射和散射等。

声束由一个大的 主瓣和一些小的 旁瓣组成。超声的成像主要依靠探头发射高度 指向性的主瓣并接收回声；旁瓣的反向总有偏差，

声场可分为近场和远场两部分 （1）近场声束集中，呈圆柱状；

（横断面声能分布不均匀）

公式：L =（ 2r • f）/ c

为近场长度，r为振动源半径，f为频率，C为声速 （2）远场声束扩散，呈喇叭状； 声束扩散角越小，指向性越好 。

（横断面声能分布较均匀） 声束两侧扩散的角度为扩散角（2 0）;半扩散角（0）。 超声波指向性优劣指标是近场长度和扩散角。

影像因素：增加超声频率；一一近场变断、扩散角变小； 增加探头孔径（直径）一一但横向分辨率下降。 采用聚焦技术一一方法：固定式声透镜聚焦； 电子相控阵聚焦； 声束聚焦：采用声束聚焦技术，可改善图像的横向和（或）侧向分辨力。

固定式声透镜聚焦一一将声透镜贴附在探头表面。 常用于线阵探头、凸阵探头； 可提高横向分辨力，但远场仍散焦。

1） 容易产生伪像。

电子相控阵聚焦 简称声场，又称声束。

直径一一探头直径（较粗）； 长度一一超声频率和探头半径。

利用延迟发射是声束偏转，实现发射聚 焦或多点聚焦；可提高侧向分辨力； 常用于线阵探头、凸阵探头； 动态聚焦：在长轴方向上全程接收聚焦。 利用环阵探头进行环阵相控聚焦； 可改善横向、侧向分辨力； 其他聚焦技术：如二维多阵元探头。 超声物理特性：

相控阵无损检测技术原理

在超声检测中，我们常常使用到聚焦声场，而聚焦探头的主要作用就使声压振幅强制增加从而改善特定区域的分辨率。而聚焦方法总的来说就是使探头发射的声波在介质传播，形成球面或圆柱面的波阵面，最后会聚到声轴线上的某一点上。相控阵探头在原理上来说就是一种聚焦探头，而于普通探头的区别是相控阵探头用的是电子聚焦。

相控阵探头是由几十上百个微型压电晶片组成，构成一个换能器阵列。各阵元使用不同的激励时间（或相位），从而达到声波的聚焦、调焦（动态聚焦）和波束偏转扫描等。这些参量可以人为控制、调整和处理，而也正是如此，相控阵检测的这些特性也就是比其他超声检测方法有优势的地方。下面用一组图片演示其原理。

该组为模拟凸透镜聚焦，离探头圆心越远的地方，发射超声的时间越慢，即具有一定的延时，最后声能汇聚到声轴线上一点。 该组为模拟斜入射的平面波，最后声波阵面像平面一样在工件中运动。

该组为模拟不在声轴线上聚焦的情况。

由以上三个示意图我们可知，相控阵探头能模拟多种不同声能聚焦的方式，其方向及聚焦点完全可以人为控制，具有很大的灵活性，在某些场合具有重大的作用。例如在核动力装置的设备和管道中，这些工件具有复杂的形状，常规超声检测方法往往难以进行操作，此时使用相控阵检测就能方便检测。

上海斌瑞作为国内一家大型的无损检测设备集成供应商，代理出售奥林巴斯多种相控阵探伤仪。奥林巴斯在早期就进行了相控阵方面的研究，推出了多种探伤仪。如其生产的OmniScan MX，该仪器是迄今为止最成功的便携式、模块化相控阵检测仪器，世界各地正在使用的OmniScan MX仪器已有成千上万台。能应用于压力容器的焊缝检测，复合材料检测, 小直径管件的焊缝检测, 手动和半自动腐蚀成像等。