测量超声场声强用组合式水听器的设计方案

　　1 引言

　　在超声技术领域,声强或声功率的测量,由于理论研究和应用上的需要,一直是人们十分关注的课题。例如,在超声处理工艺中,往往需要测量声场中声强大小及其空间分布。尤其是在空化场中研究声强与换能器工作状态的关系以及超声波对被处理物体作用的机理等具有重要的理论和实际价值。在平面波情况下,声强与声压之间存在确定关系,若已知声媒质的特性阻抗(ρc),利用已知灵敏度M的声压水听器测量声压p,根据下式即可算出声强I:

　　其中U为水听器的开路输出电压。

　　为了测定声功率Wa,应对通过声能的面积S上的声强取积分:

　　这个表达式只在平面波条件下(即测点离开声源足够远)才成立。

　　在复杂声场,例如驻波场、有空化产生的声场,瞬时声强由瞬时声压和瞬时质点振速确定,而平均声强则由下式计算:

　　其中v是在测点处的质点振速法向分量。利用测点处的声压值和振速矢量可以计算出该点声能流的大小及方向。

　　在水声技术中,近年来国内外出现1种称为矢量水听器(亦称振速水听器或声压梯度水听器)的新型接收换能器[1,2]。这种水听器用于测量水声声场中媒质(水)的质点振速或声压梯度。因为振速或声压梯度是“矢量”,所以称这种水听器为矢量水听器。

　　根据需要它可以做成一维、二维或三维结构。对于三维矢量水听器可同时得到直角坐标系3个正交方向上的振速或声压梯度值。矢量水听器与声压水听器组合使用,即可获得声能流密度(声强)等更为丰富的声场信息。

　　本文作者已研制出一维、二维和三维矢量水听器[2~4],可用于对5kHz以下频段的水下声信号进行检测。将这种水听器在结构上进一步小型化,即可用于超声频段。

　　2 超声频矢量水听器的工作原理

　　在超声频段使用的矢量水听器其工作原理与声频或次声频的完全相同。由于超声频矢量水听器工作频率的要求,决定了其几何尺寸要足够小,在结构设计和敏感元件的选择上需要作些特别考虑。

　　为了说明矢量水听器的工作原理,我们先来考察悬置于水下声场中的刚性球的运动特性。理论分析已经证明[1],当球的波尺寸ka(k为波数,a为球半径)很小时球在水声场中的振荡速度v与水质点振速v0存在如下关系:

　　其中ρ为水的密度;ρ-为刚性球体的平均密度;φ为v0与v之间的相位差。再假定使ρ-·ρ,从式(4)可以看到,球就会以水质点相同的振速v0和相同的相位运动。这就意味着,假如我们制作一个在声学上刚硬的球,并在球内放置传感器件,将球的运动转换为与球振速v成比例的电信号,当保证球体的平均密度ρ-等于水的密度ρ且球的半径满足kan1,则就可实现水质点振速的测量。