以上讨论的是液体介质,波源作活塞振动,辐射连续波等理想条件下的声场,简称为理想声场。实际检测中往往是固体介质,波源非均匀激发,辐射脉冲波声场简称为实际声场。它与理想声场是不完全相同的。
图2-12 实际声场与理想声场声压比较
由图2-12可知,实际声场与理想声场在远场区轴线上的声压分布基本一致。这是因为,当与波源间的距离足够远时,波源各点至轴线上某点的波程差明显减小,从而使波的干涉大大减弱,甚至不产生干涉。但在近场区内,实际声场与理想声场存在明显区别。理想声场轴线上声压存在一系列极大值和极小值,且极大值为2po,极小值为零。实际声场轴线上声压虽然也存在极大值与极小值,但是波动幅度小,极大值远小于2po,极小值也远大于零,同时极值点的数量明显减少。这可以从以下几方面来分析其原因。
1)近场区出现声压极值点是由波的干涉造成的。理想声场是连续波,波源各点辐射的声波在声场中某点产生完全干涉。实际声场是脉冲波,脉冲波持续时间很短,波源各点辐射的声波在声场中某点产生不完全干涉或不产生干涉,从而使实际声场中的近场区轴线上的声压变化幅度小于理想声场,极值点减少。
2)根据傅里叶级数,脉冲波可以视为常数项和无限个n倍基频的正弦波、余弦波之和。设脉冲波函数为f(t),则
式中 t——时间;
n——正整数;
ω——圆频率,ω=2πf=2πT;
a0、an、bn——由f(t)决定的常数。
由于脉冲波是由许多不同频率的正弦波、余弦波组成的,每种频率的波决定一个声场,因此总声场就是各不同声场的叠加。(www.daowen.com)
由可知,波源轴线上的声压极值点位置随着波长λ的变化而变化,不同f的声场极值点不同,它们互相叠加后总声压就趋于均匀,使近场区声压分布不均的情况得到改善。
脉冲波声场某点的声压可用下述方法来求得。设声场中某处的总声强为I,则
I=I1+I2+I3+…+In
即
所以超声场中该处的总声压p为
式中 In——频率为fn的谐波引起的声强;
pn——频率为fn的谐波引起的声压。
3)实际声场的波源是非均匀激发的,波源中心振幅大,边缘振幅小,由波源边缘引起的波程差较大,对干涉影响也较大。因此,这种非均匀激发的实际波源产生的干涉要小于均匀激发的理想波源。当波源的激发强度按高斯曲线变化时,近场区轴线上的声压将不会出现极大值或极小值,这就是高斯探头的优越性。
4)理想声场是针对液体介质而言的,而实际检测对象往往是固体介质。在液体介质中,液体内某点的压强在各个方向上的大小是相同的。波源各点在液体中某点引起的声压可视为同方向上进行线性叠加。在固体介质中,波源某点在固体中某点引起的声压方向在二者连线上。对于波源轴线上的点,由于对称性,使垂直于轴线方向的声压分量互相抵消,使轴线方向的声压分量互相叠加。显然,这种叠加干涉要小于液体介质中的叠加干涉,这也是实际声场近场区轴线上声压分布较均匀的一个原因。
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