直探头声束扩散角的测量

目前，超声波技术已经在国民经济各个领域得到广泛的应用，其中的超声波换能器是产生超声波的重要组件。由于超声波换能器 （波源） 发射的超声场具有特殊结构，只有当缺陷位于超声场内时，才可能被发现。

1 原理

1.1 近场区与远场区

连续波声源声轴线上任意一点的声压可用式 1表示：

波源轴线上的声压随距离变化的情况如实线所示 （见图 1）。

（1） 近场区

波源附近由于波的干涉而出现一系列声压极大极小的区域，称为超声场的近场区，又叫菲涅耳区。近场区声压分布不均，是由于波源各点至轴线上某点的距离不同，存在波程差，互相叠加时存在相位差而互相干涉，使某些地方声压互相加强，另一些地方互相减弱，于是就出现声压极大或极小值点。

波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度，用 N 表示

由式 （2） 可知，近场区长度与波源面积成正比，与波长成反比。

在近场区检测定量是不利的，由于处于声压极小值处的较大缺陷回波可能较低，而处于声压极大值处的较小缺陷回波可能较高，这样就容易引起误判，甚至漏检，因此应尽可能避免在近场区检测定量。

（2） 远场区

波源轴线上至波源的距离 x＞N 的区域称为远场区。远场区轴线上的声压随距离的增加单调减少。当 x＞3N 时，声压与距离成反比，近似球面波的规律，P=P0FS/λx，如上图中的虚线所示。这是因为距离 x 足够大时，波源各点至轴线上某一点的波程差很小，引起的相位差也很小，这时干涉现象可忽略不计。所以远场区轴线上不会出现声压极大、极小值。

（3） 声压分布特征

超声场近场区与远场区各横截面上的声压分布是不同的 （见图 2、图 3）：图 2 为波源近场中在x=0、N/2、N横截面上声压的分布；图 3 为波源远场中在 x=N、3N、6N 横截面上声压的分布。在 x＜N 的近场区内，存在中心轴线上声压为 0的截面，如 x=0.5N 的截面，中心声压为 0，偏离中心声压较高。在 x≥N 的远场区内，轴线上的声压最高，偏离中心声压逐渐降低，且在同一横截面上声压的分布是完全对称的。因此在测定探头波束轴线的偏离和横波斜探头的 K 值时，规定要在 2N以外进行就是这个原因。

1.2 声束扩散角

超声波换能器所发射的声束声场的扩散角是描述超声波换能器性能的重要指标之一。

    半扩散角 θ0是圆盘源辐射的纵波声场的第一零值发散角，当 y＞3.83，即 θ＞θ0时，半扩散角以外的声场声压很低，超声波的能量主要集中在半扩散角 θ0以内，因此可以认为半扩散角限制了波束的范围。2θ0以内的波束称为主波束，只有当缺陷位于主波束范围内时，才容易被发现。以确定的扩散角向固定的方向辐射超声波的特性称为波束指向性，该扩散角称为声束扩散角[1]。