Page 189 - 《应用声学》2023年第2期

第 42 卷 第 2 期 候满钊等： 超声聚焦探头在固体中辐射声场的动态光弹测量方法 377

式(6) 中，X、Y 分别为两个随机变量，Cov(X, Y ) 为 测量值与仿真计算值具有良好的一致性，最大相对
X、Y 的协方差，D(X)、D(Y )分别为X、Y 的方差。 差值为7.40%。
计算可得实测和仿真的声束轴线应力分布的 采用小球反射法 [18−20] 测量同一聚焦探头在
相关系数为 0.88，声场径向应力分布的相关系数为 水中的声场分布，结果如图 10 所示。测得的探头
0.98，说明光弹实验测量和仿真计算的应力分布相 焦距为 25.60 mm，按照传统换算方法，焦距与介质
关度高。 声速成反比，水的声速为 1500 m/s，K9 玻璃的声
由图 8、图 9 中提取并分析固体中聚焦超声探 速为 5980 m/s，换算得到该探头在固体中焦距为
头声场特性的 3个重要参数：焦距、−3 dB焦柱长度 6.42 mm，而光弹法测量的焦距为 6.88 mm，二者相
和−3 dB 焦点宽度，光弹实验方法和有限元方法计 差0.46 mm，相对误差为6.69%。
算得到的聚焦特性参数如表2所示。
5
由表 2 可知，用光弹法测得的聚焦探头在固 7.20 mm ࠄᰎϙ
͌ᄾϙ
体中的焦距为 6.88 mm，仿真计算的焦距结果是 4 6.88 mm
7.20 mm。结果显示，探头聚焦特性参数的光弹实验 3 8.00 mm (-3 dB)
0 4.5 σ/(T10 5 Pa) 8.64 mm (-3 dB)
4.0 2
5
3.5
10 3.0 1
ງए/mm 15 2.5 σ/(T10 5 Pa) 0
2.0
20
1.5
1.0 0 10 ᣉՔᡰሏ/mm 20 30
25
0.5
30 0 图 8 聚焦声场声束轴线应力分布曲线
-15 -10 -5 0 5 10 15
ࠕए/mm Fig. 8 Stress distribution curve of the acoustic
(a) үগАु฾᧚ፇ౧ axis of the focusing sound field
0 4.5
4.0 5
5 ࠄᰎϙ
3.5
10 3.0 4 ͌ᄾϙ
ງए/mm 15 2.5 σ/(T10 5 Pa) 3 0.75 mm (-3 dB)
2.0
0.72 mm (-3 dB)
20
1.5
1.0 σ/(T10 5 Pa)
25 2
0.5
30
-15 -10 -5 0 5 10 15 1
ࠕए/mm
(b) ͌ᄾᝠካፇ౧ 0
0 10 20 30
ᣉՔᡰሏ/mm
图 7 固体中聚焦声场的应力分布
Fig. 7 Stress distribution of focusing sound field 图 9 焦平面声场径向应力分布曲线
in solid Fig. 9 Radial stress distribution curve of focal
plane sound field
表 2 实测和仿真探头的聚焦特性参数对比
Table 2 The comparison of focusing char- -4
ഷՔᡰሏ/mm 0
acteristics parameters of measured and
simulated data 4

光弹 仿真 差值 相对差值 6 16 26 36 46 56
ᣉՔᡰሏ/mm
实验 (p 1 ) (p 2 ) (|p 1 − p 2 |) /%
焦距/mm 6.88 7.20 0.32 4.65 图 10 小球反射法测量声场分布图
−3 dB 焦柱长度/mm 8.64 8.00 0.64 7.40
Fig. 10 Measurement of sound field distribution
−3 dB 焦点宽度/mm 0.72 0.75 0.03 4.17
by small ball reflection method