Page 88 - 《应用声学》2020年第6期

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推导出的近场长度计算公式 [13] 可得近场长度
3 探头声场检测实例及结果分析
N = D /4λ = 73.83 mm，式中 D 为晶片直径；
2
λ 为水中纵波波长。实验室环境测得水中纵波声
测试案例中脉冲超声换能器选取国内两不同
厂家生产的 2.5P14N 换能器，扫查平台搭载脉冲换 速为 c = 1460 m/s，换能器中心频率实测值为
能器做 Y Z 平面及 XZ 平面扫查。扫查步进精度选 f = 2.3 MHz，对比两数值，该脉冲换能器水中近场
择是影响声场测量的关键因素，相关文献 [12] 指出， 长度小于连续波理论所得数值。
扫查步进必须满足小于一个波长长度。本文所测
1000 ຤ಖ X Y
试的脉冲超声换能器中心频率为 2 ∼ 3 MHz，所激 ຤ಖ
຤ಖ
发的超声纵波波长为 λ = 0.5 ∼ 0.7 mm，因此各 800 ຤ಖ
轴扫查步进精度设置为 0.3 mm。根据反射小球的 600
尺寸，同时考虑到探头离小球较近时小球有效反射 ᄱࠫܦԍ 400 ຤ಖ
曲面会对回波响应有影响，系统从距离不锈钢小球 ຤ಖ
200 ຤ಖ
10 mm开始声场测量。
0
3.1 2.5P14N脉冲超声换能器声压分布 20 40 60 80 100 120 140 160 180
选取标称频率为 2.5 MHz、晶片直径为 14 mm ܦᣉጳவՔᡰሏ/mm
的脉冲超声换能器作为测试对象，扫查平面选择 图 13 换能器声轴线声压分布图
过垂直换能器晶片圆心所在垂线平面，扫查平 Fig. 13 Acoustic axis pressure distribution map
面短边距离换能器平面 10 mm，扫查平面面积为 of transducer
48 mm × 180 mm，扫查步进精度设为0.3 mm，在扫
从图13 ∼ 16可以看出，在近场区出现一系列极
查平面上共测试 96000 个数据点，测试得到的平面
大极小值，实测现象与文献 [14] 中描述的观点一致，
声压分布强度图如图12所示。
即声压极值点是由波的干涉造成的。连续波激发的
190 声场波源各点辐射的声波在声场中某点产生完全
1100
160 600 干涉。实际测试的声场由脉冲波激励，脉冲持续时
ܦᣉவՔᡰሏ/mm 120 1 完全干涉或不产生干涉，极值点减少。在大于近场
140
间很短，波源各点辐射的声波在声场中某点产生不
100
80
长度外，只有一个极值点，如图 14 显示的距离换能
60
40 器100 mm垂直声轴线声压分布曲线所示。
10
0 40 80 120 160 ຤ಖ X Y
1000
ۇᄰܦᣉவՔᡰሏ/mm ຤ಖ
຤ಖ
图 12 2.5P14N 换能器声轴线平面声压分布图 800
Fig. 12 2.5P14N sound pressure distribution on 10 mm
ᄱࠫܦԍ ຤ಖ
the plane of transducer axis 600
从图 12显示的声压分布可以看出，该款换能器 400 57 mm 40 mm
声场指向性好，水中声场在垂直声轴线方向主要集 ຤ಖ
200 100 mm
中在换能器直径宽度 14 mm 范围内。在距离换能
器 10 ∼ 40 mm 辐射场中能量主要集中在换能器边 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
缘两边，同时随着距离的增加，能量逐渐往声轴线附 ۇᄰܦᣉவՔᡰሏ/mm
近聚集。在远场区，声能衰减较为迅速。 图 14 垂直声轴线方向声压分布曲线
通过图 13 可实测出该脉冲换能器近场长度 Fig. 14 Sound pressure distribution curve in the
为 57 mm， 即游标 0 所在位置。 根据连续波所 vertical axis direction