聲學(xué)檢測技術(shù)第三章

聲學(xué)檢測技術(shù)第三章第1頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

3.1活塞聲源的輻射聲場輻射：聲源的振動在周圍的介質(zhì)中激發(fā)聲波。研究內(nèi)容：根據(jù)聲源的特性確定聲場的性質(zhì);介質(zhì)性質(zhì)對聲源的影響。如聲場的空間分布；隨距離變化的規(guī)律；輻射阻抗對激發(fā)聲源振動的影響。第3章輻射聲場與規(guī)則體的回波聲壓第2頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

一、聲源類型1.脈動球源：輻射對稱球面波球坐標(biāo)下的聲壓為A取決于球面振動情況，表明聲場的特征與球面的振動有關(guān)。3.1活塞聲源的輻射聲場第3頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

設(shè)球面表面的振動速度是邊界條件：在球的表面處，媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)速度等于球源表面的振動速度。

3.1活塞聲源的輻射聲場第4頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

脈動球源輻射聲壓A值不僅與球源的振速有關(guān)，與聲源大小、輻射頻率有關(guān)。3.1活塞聲源的輻射聲場A的表達(dá)式第5頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

1）聲源半徑比較小或頻率比較低點(diǎn)聲源2）聲源半徑比較大或頻率比較高

有當(dāng)振動速度一定時，有：聲源振面大時,輻射聲壓大，反之就??；振動面越大，低頻聲越豐富。3.1活塞聲源的輻射聲場討論：第6頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

輻射阻抗：聲源大小和聲波頻率不一樣時，輻射聲壓不同，即聲源的輻射特性不同。聲源使介質(zhì)發(fā)生形變，產(chǎn)生聲波；輻射的聲場對聲源有反作用。結(jié)論：介質(zhì)的特性阻抗影響聲源的振動。增加了系統(tǒng)的阻尼作用，能量以聲能傳播；增加了聲源的質(zhì)量-同振質(zhì)量。當(dāng)3.1活塞聲源的輻射聲場第7頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

2.點(diǎn)聲源：脈動球源的半徑無限縮小的極限情況，即此時，其中點(diǎn)源輻射聲壓在理論分析中非常重要。<<1稱為點(diǎn)源強(qiáng)度。3.1活塞聲源的輻射聲場第8頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

3.組合聲源線狀陣列聲源：等間距點(diǎn)源組成平面聲源：同一平面上的點(diǎn)源組成3.1活塞聲源的輻射聲場第9頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

4.活塞聲源定義：處于發(fā)射狀態(tài)的晶片作像活塞一樣的往復(fù)振動平面聲源固定在無限大障板上向半空間輻射聲波3.1活塞聲源的輻射聲場活塞聲源的特點(diǎn)：有限大小的平面聲源；振動方向沿平面的法線方向；振動面上各點(diǎn)的速度振幅和位相都相同；在平衡位置附近進(jìn)行往復(fù)的周期運(yùn)動。

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二、圓形活塞聲源輻射的聲場

幾點(diǎn)假設(shè)：活塞上各點(diǎn)的振動是同相同速；整個聲源由無限多個小聲源組成；每個小聲源向半空間輻射對稱球面波；聲場中的每一點(diǎn)的聲壓是每個小聲源輻射聲波的疊加。3.1活塞聲源的輻射聲場第11頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

1.聲場中的遠(yuǎn)場聲壓分布特性

研究聲場中任意點(diǎn)的聲壓表達(dá)式聲源中有一個小的單元

在Q點(diǎn)產(chǎn)生的聲壓：

ds3.1活塞聲源的輻射聲場第12頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

Q點(diǎn)的聲壓是整個圓形聲源上所有小聲源在Q點(diǎn)產(chǎn)生的聲壓的疊加

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當(dāng)Q點(diǎn)距圓形聲源足夠遠(yuǎn)時,用

代替當(dāng)根據(jù)二項式定理，有3.1活塞聲源的輻射聲場第14頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

把上面的幾個近似帶入聲壓表達(dá)式,有

3.1活塞聲源的輻射聲場第15頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

3.1活塞聲源的輻射聲場對于積分式進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，根據(jù)貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)第16頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

有

3.1活塞聲源的輻射聲場第17頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

結(jié)論：圓形聲源輻射的聲場中的聲壓隨距離r，時間t而變，在遠(yuǎn)場區(qū)，聲壓與距離成反比；在相同距離不同方向的位置上,聲壓是不均勻的,當(dāng)時，聲場的聲壓最大。產(chǎn)生原因：各個小面元產(chǎn)生的聲波相位不同產(chǎn)生干涉，干涉的結(jié)果使聲場出現(xiàn)指向性。3.1活塞聲源的輻射聲場第18頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

2.聲軸線上聲壓幅值的分布特性

此時,取一個微小圓環(huán)，

進(jìn)行積分計算，得：此表達(dá)式是活塞軸上聲場的嚴(yán)格解3.1活塞聲源的輻射聲場第19頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

聲壓幅值為這是當(dāng)量法缺陷定量中最基本的公式

3.1活塞聲源的輻射聲場第20頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

3.近場區(qū)內(nèi)的聲壓分布當(dāng)從P由結(jié)論:在聲軸線上出現(xiàn)聲壓極大和極小值3.1活塞聲源的輻射聲場第21頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

近場區(qū)：

波源附近由于波的干涉而出現(xiàn)一系列聲壓極大極小值的區(qū)域。原因：

聲源各點(diǎn)到軸線上的某點(diǎn)的距離不同，存在聲程差，聲波在此點(diǎn)疊加時，產(chǎn)生干涉。在整個軸線上，有些點(diǎn)的聲壓得到加強(qiáng)，有些點(diǎn)的聲壓減弱，因而形成聲壓極大值和極小值。

3.1活塞聲源的輻射聲場第22頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

Z比較小時：

位置上聲壓出現(xiàn)極小值位置上聲壓出現(xiàn)極大值Z比較大，Z>2a時，正弦函數(shù)展開后取近似，有

近場區(qū)長度:3.1活塞聲源的輻射聲場第23頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

結(jié)論：近場長度與波長成反比，與聲源面積成正比。3.1活塞聲源的輻射聲場第24頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

4.遠(yuǎn)場區(qū)聲壓分布特性當(dāng)結(jié)論:軸線上的聲壓與距離成反比，與聲源面積成正比。3.1活塞聲源的輻射聲場第25頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

特點(diǎn)：聲軸線上的聲壓隨距離增加單調(diào)減少，當(dāng)聲程大于三倍近場長度時，聲壓與距離成反比，近似球面波的規(guī)律。3.1活塞聲源的輻射聲場第26頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

3.1活塞聲源的輻射聲場第27頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

計算水中的近場距離：頻率為1兆赫茲，波長為：

3.1活塞聲源的輻射聲場鋼中縱波的近場距離，頻率為1MHz

鋼中橫波的近場距離,頻率為1MHz第28頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

5.聲束指向性和半擴(kuò)散角指向性是指其發(fā)射聲壓的幅值隨著方位角的變化而變化的一種特性。指向性系數(shù)：聲場中遠(yuǎn)處任意一點(diǎn)處的聲壓與聲源軸線上同距離處聲壓的比值。

3.1活塞聲源的輻射聲場第29頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四由于

指向性形成的原因：聲源各部分所發(fā)射聲波在遠(yuǎn)場區(qū)域中干涉疊加的結(jié)果，將輻射面上每一點(diǎn)看作聲源，點(diǎn)聲源所產(chǎn)生的聲波是沒有指向性的球面波，所有這些子波相互疊加，在輻射空間的遠(yuǎn)場便形成了指向性。簡單地說，指向性表示在遠(yuǎn)場中距離相同的點(diǎn)，聲壓幅值與角度的對應(yīng)關(guān)系。3.1活塞聲源的輻射聲場第30頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

3.1活塞聲源的輻射聲場第31頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

指向特性同活塞的尺寸與波長的比值有關(guān)聲源尺寸與波長比較較小時，輻射的聲壓幾乎沒有指向性，指向性圖是個圓；隨著聲源尺寸的增大或頻率的提高，指向性越來越尖銳，并且除了主瓣還出現(xiàn)了旁瓣，并且逐漸增多。3.1活塞聲源的輻射聲場第32頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

半擴(kuò)散角一階貝塞爾函數(shù)為零

這是主瓣半聲束極限角－半擴(kuò)散角3.1活塞聲源的輻射聲場第33頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四

6.聲束未擴(kuò)散區(qū)與擴(kuò)散區(qū)3.1活塞聲源的輻射聲場第34頁，共37頁，2023年，