二、超声的物理特性

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(一)超声场特性:超声在介质内传播的过程中,明显受到超声振动影响的区域称超声场。超声场具有以下特点:如果超声换能器的直径明显大于超声波波长,则所发射的超声波能量集中成束状向前传播,这现象称为超声的束射性(或称指向性)。换能器近侧的超声波束宽度与声源直径相近似,平行而不扩散,近似平面波,该区域称近场区。近场区内声强分布不均匀。近场区以外的声波以某一角度扩散称远场区。该区声波近似球面向外扩散,声强分布均匀,但逐渐减弱,换能器的频率愈高,直径愈大,则超声束的指向性越好、其能量越集中(图15-1-1)。近场距离,远场扩散角与换能直径及频率的关系如公式所示:

L0=r2f/C sinθ=1.22λ/D

式中L0为近场距离,r为换能器半径,f为频率,C为声速、 θ为半扩散角、D为换能器直径,λ为超声波波长。

L0近场区 θ半扩散角 D声源直径

(二)超声的反射与散射

1.声阻抗:介质的密度与超声在介质中传播速度的乘积称声阻抗。声阻抗值一般为固体>液>气体。

超声在密度均匀的介质中传播,不产生反射和散射。当通过声阻抗不同的介质时,在两种介质的交界面上产生反射与折射或散射与绕射。

2.反射、折射与透射:凡超声束所遇界面的直径大于超声波波长(称大界面)时,产生反射与折射。成角入射,反射角等于入射角,反射声束与入射声束方向相反(图15-1-2A)。垂直入射时,产生垂直反射与透射(图15-1-2B)。反射声强取决于两介质的声阻差异及入射角的大小。垂直入射时,反射声强最大。反射声能愈强则折射或透射声能愈弱。进入第二介质的超声继续往前传播,遇不同声阻抗的介质时,再产生反射,依次类推,被检测的物体密度越不均匀,界面越多,则产生的反射也愈多。

超声波的指向性

图15-1-1超声波的指向性

L0近场区 θ半扩散角 D声源直径

3.散射与绕射:超声在传播时,遇到与超声波波长近似或小于波长(小界面)的介质时,产生散射与绕射。散射为小介质向四周发散超声,又成为新的声源(图15-1-2、C)绕射是超声绕过障碍物的边缘,继续向前传播(图15-1-2、D)。散射回声强度与超声入射角无关。

超声波的反射与散射

超声波的反射与散射

超声波的反射与散射

超声波的反射与散射

图15-1-2超声波的反射与散射

A.成角入射时反射与折射。B.垂直入射时反射与透射C.散射。D.绕射。

(三)超声衰减:超声在介质中传播时,随着传播距离的增加,声强逐渐减弱,这种现象称为超声的衰减。引起衰竭的主要原因是介质对超声的吸收(粘滞吸收及热传导吸收)。超声频率愈高,介质的吸收愈多;其次为能量的分散如反射、折射、散射等。使原传播方向上的能量逐渐减弱。

(四)多普勒效应:声源和接收体作相对运动时,接收体在单位时间内收到的振动次数(频率),除声源发出者外,还由于接收体向前运动而多接收到(距离/波长个)振动,即收到的频率增加了。相反,声源和接收体作背离运动时,接收体收到的频率就减少,这种频率增加和减少的现象称为多普勒效应(图15-1-3)。

多普勒效应

多普勒效应

多普勒效应

图15-1-3多普勒效应

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