為什麼超聲波束存在近場和遠場

㈡ 超聲波的特點

穿透力強,可以用超聲波測距離,就是我們所說的聲納,還有超聲波的破碎力強,可以用來碎石,就是結石.
下面在詳細介紹下:

超聲波的基本特性

頻率在2kHz以上的聲波稱之為超聲波，由於頻率f升高，波長λ變短使得超聲波比普通聲波具有特殊性，即近似於光的某些特徵。如束射性，由一種媒質進人另一種媒質發生折射、反射等。同時有很強的被吸收性與衰減性，帶有很強的能量。本節簡要介紹超聲波的幾個主要特徵。

【超聲波的束射性】

人耳可感受的聲音是無指向性的球面波，即以聲源為中心呈球面向四周擴散周圍均能聽到聲音。由於超聲波頻率很高，所以方向性就相對要強，方向性即柬射性。當超聲波發生體壓電晶體的直徑尺寸遠大於超聲波波長時，則晶體所產生的超聲波就類似於光的特性，如圖1一1一1所示。

緊靠晶體輻射板的一段叫近場區，接近於圓柱狀；離晶本輻射較遠的部分，超聲波以一定的角度擴散，叫遠場區。若壓晶體圓片的直徑為D,超聲波在該介中的波長為λ，則近區的長度為：

D2－λ2 D2

N= ———— ≈ —— （D》λ）

4λ 4λ

由上式看出，壓電晶體片直徑愈大或頻率越高，即波長λ愈短，則近場區的長度愈長，此超聲波場的束射性就愈好。

聲學工作者用光衍射法，對醫用超聲波換能器的聲場顯示做了深入、生動的研究。

就是這個研究成果的一組照片，它對我們深入而又形象地理解超聲波的束射性，超聲波的聚焦性，都有很大的幫助。圖1-2是這種是這種光衍射法的實驗光路圖。圖中的He——Ne激光器的波長為6328A（埃），O為一組組合透鏡，它將光束鏡發出的擴散光束變為平行光束。最後在相屏上得到的是一個超聲波聲束的倒立的實相。圖1-3圖1-6的一組照片，就是從這個相屏上拍攝而成的。整個實驗均在暗室中進行。圖1-5所示的這張未聚焦的單片換能器的全景超聲波束照片，是我們超聲波治療機所發出的超聲波聲束的生動、形象的顯示，是值得我們深入研究和理解的。

理解了超聲波的束射性，對超聲波治療有重要的意義。由於超聲波具有很強的束射性，在超聲波治療時，要注意使用聲頭輻面垂直，對准治療部位。以由於超聲波聲頭輻射出的超聲波場中心處最強，愈向外側愈弱，所以，在超聲波治療操作時，一般都要以一定的速度，在治療部位做小圓周或其它形式的移動，以使治療部位得到的超聲波劑量基本均勻，從而保證治療效果的良好。

【超聲波的透射、反射、折射與聚集】

由於超聲波的頻率較高，所以超聲波在定向傳播時，在兩種不同媒質的分界面上，會出現類似於光線一樣的透射、反射和折射現象。

光線的透射、反射與折射現象是常見的。例如，我們在一個黑暗的環境里將一束光線投身到一個盛滿水的透明玻璃燒杯里，我們將十分清楚地看到光線在水面上產生的透射、反射與折射現象。我們採用圖1一2所示的光衍射法，也可以清楚地看到超聲波聲束的反射、透射與折射現象。見圖1一7。

光的聚集現象是常見的。如果我們手邊在一個放大鏡，在強烈的陽光下，太陽光經過放大鏡的聚集到一點，就會將這一點上的紙或者香煙等物點燃。許多人都親身做過這個實驗。

超聲波的聚集現象和光線的聚集現象是一樣的。利用超聲波聚集裝置可以將超聲波束會聚到一點，從而將超聲波的聲強提高幾倍甚至幾千倍，利用這樣巨大的聲強可以做許多很有意義的工作。例如:超聲波切割、超聲波鑽孔、超聲波打磨等。

【超聲波的吸收與衰減】

聲波在各種媒質中傳播時，由於媒質要吸收掉它的一部分能量，所以，隨著傳播路程的增加，聲波的強度會逐漸減弱。

在一個廣場上，一個民族弦樂正在為廣大群眾作街頭演出，許多人聞訊前去觀看和欣賞那動聽的音樂。當你從遠處走近這個樂隊時，首先聽到的是那音調低沉的鼓聲，隨著你慢慢走近樂隊，你就逐漸聽到了鎖吶聲、笛聲、二胡聲等;當你最後走到樂隊周圍時，你才聽到了那音調很高的清脆的鈴聲。

這個例子，很生動地說明了各種不同頻率的聲波，在空氣中傳播時被吸收的程度是不同的。頻率越高的聲波，空氣對它的吸收越強，所以它傳播的距離較短。例如上述樂隊中音調很高的鈴聲;因其頻率很高，空氣對它的吸收作用很強，所以傳不遠。反之，對頻率越低的聲波，空氣對它的吸收較少，因此，它傳播的距離較長。上述樂隊中音調低沉的大鼓聲音傳得很遠，正是由於它的頻率很低的緣故。

聲波在媒質中傳播時，被吸收而衰減的另一個特點是對於同一個聲波，當它在圍體、液體或氣體，以及各種不同物質中傳播時，它被吸收的程度也是不同的。對於一個頻率固定的聲波，在氣體中傳播時，它被吸收的最厲害;在液體中傳播時，它吸收的較少；而在固體中傳播時，則被吸收的最少。所以，聲波在空氣中傳播的最短，在水中則可傳播的遠一些，而在金屬中則能傳播得很遠。

以上關於聲波吸收的兩個特性，無論對可聽聲，或是對超聲波，都是適用的。對於超聲波來講，由於它的頻率很高，所發，它在空氣中傳播時，被吸特別厲害。據科學家們的實驗，頻率為100億Hz的超聲波，在它離開聲源的一剎那間，馬上會被空氣全部吸收掉。在超聲波治療的臨床應用中，對於超聲波的吸收特性，必須予以足夠的重視。這一點，在下面的有關章節中，將要詳細談到。

【超聲波的巨大能量】

超聲波之所以在工業、國防和醫療等方面發揮著獨特而又巨大的作用，還有一個原因是由於超聲波比一般可聽聲有著強大的功率。根據聲學工作者的實驗測定，一般的講話聲音的能量是很小的。假設我們想用普通說話的能量來燒開一壺水，那麼，必須動員700多萬人，連續大聲喊叫12個小時才行。超聲波具有的能量，要比一般可聽聲大的多。根據有關聲學實驗測定，頻率為100萬赫茲的超聲波的能量，要比同幅度的頻率為1000赫茲的可聽聲能量大100萬倍。所以說，擁有巨大的能量，是超聲波的一個重要特點。超聲波的許多應用，也都是利用它的這一特點進行工作的。為什麼超聲波擁有這么強大的功率呢？這是由於聲波到達某一物質中時，由於聲波的振動作用，使物質中的分子隨便之一起振動，兩者振動的頻率是一致的。物質分子振動的頻率，決定了該物質分子振動的速度，頻率越高，速度越大。我們知道，一個運動物體所具有的動能E與其質量M和運動速度有下列關系:

E=Mv2

即，運動物體的動能與其質量成正比，與其速度的平方也成正比。

由於超聲波的頻率很高，它使所進入的物質分子運動速度，也隨之變的很高。根據上式可知，這樣高的運動速度，使該物質分子具有很大的動能，這就是超聲波擁有巨大能量的緣故。

【超聲波的聲壓特性】

所謂「聲壓」指的是由於聲波的振動而使聲場中的物體受到附加壓力的強度，單位為公斤/平方厘米，一般可聽聲的聲壓非常微小，其數值約為0.000001公斤/平方厘米~0.000002公斤/平方厘米。這公微小的聲壓，一般是不引起人們的注意的。但是，超聲波的聲壓，一般是很大的。例如，在水中通過一般強度的超聲波時，因超聲波而產生的附加壓力，可以達到好幾個大氣壓。超聲波之所以能夠產生這樣強的聲壓，可以達到好幾個大氣壓，其根本原

因仍然是由於超聲波的頻率很高，所以振動時，使高密度分子間的伸拉很快以致使其間形成瞬時的真空與壓縮高密度區，產生巨大的壓力差。當它的振幅達到一定程度時，超聲波擁有的能量十分巨大。

當超聲波束通過液體時，由於巨大的超聲波聲壓作用，可以在液體中出現"空化現象"。這種現象所產生的瞬時壓力，可以高達幾千個，甚至上萬個大氣壓!這么巨大的瞬時壓力，使超聲波的應用，在許多方面顯示出它獨特的巨大作用。現在已被普遍應用的超聲波清洗，超聲波乳化等，都是超聲波空化現象的具體運用。

超聲波的空化現象是怎樣產生的呢?讓我們通過觀察一個聲學實驗，來了解空化現象產生的奧妙。

如圖1一8所示，在一個盛滿水的玻璃容器中，放大一個超聲波發生器的聲頭。

在超聲波機末工作之前，該容器中的液體分子受到的只是大氣壓的壓力，液體的分子都很穩定，沒有什麼變化。當超聲波機開始工作後，一般強大的超聲波束穿過了整個液體內部。我們知道，當聲波通往某種物質時，由於聲振動現象，這種壓縮和稀疏相互交替的作用，使該物質分子受到的壓力產生了變化。例如當超聲波振動使水分子壓縮時，水分子所受到壓力將是大氣壓加上水分子被壓縮時受到的壓力，這個變化的壓力就是前面我們所談到的"聲壓"。當這個巨大的聲壓使水分子團壓縮時，好象水分子團受到了來自四面八方的巨大壓力(參看圖1一8A)當超聲波振動使水分子稀疏時，水分子又受到了向四面八方散開的拉力(參看圖1一8B)。對於一般的液體，它能經受得住聲壓的巨大壓力作用，所以在受到壓縮力時，水分子團不會發生反常的現象。但是當水分子團受到稀疏作用而受到四面八方的拉力時，它們就支持不住了。在拉力集中的地分，水分子團就會斷裂開來，這種斷裂作用，最容易發生在存有雜質和氣泡的地方，因為這些地方水的強度特別低，根本經不住幾倍於大氣壓力的巨大的拉力作用而發生斷裂。這種斷裂的結果，使水中會產生許多氣泡狀的小空腔，這種空腔存在的時間很短，一瞬間，就會閉合起來。小空腔閉合的時侯，會產生巨大的瞬時壓力，一般的可高達幾千個，甚至上萬個大氣壓。這種巨大的瞬時壓力，可以使懸浮在水中的固體表面受到急劇的破壞，超聲波的絕妙的清洗作用、乳化作用以及超聲波治療中利用超聲波來擊碎 腦血栓和膽結石塊等，都是運用了超聲波的這種巨大的瞬時壓力。這種由於超聲波在液體中的聲壓，而使液體分子團破裂而產生無數氣體小空腔，由於這些小空腔閉合而產生的瞬時壓力的現象，稱之為超聲波的空化現象。超聲波的空化現象，也是超聲波的重要特性之一。

㈢ 如何理解超聲的解析度

首先超聲系統解析度的定義是指辨別兩種物體、兩種組織或兩個目標的能力，定義為在顯示器上剛好能區分開的兩點靶間距的實際距離。距離越小，解析度越強。同時還有一個相似的概念叫分辨力，為靶間距的實際距離的倒數。橫向解析度（又稱徑向解析度或方位解析度）描述了沿著與波束軸線垂直的、波束截面掃描方位上的解析度。縱向解析度（又稱距離解析度或者軸向解析度）是指沿著波束軸線方向的解析度。不太清楚問題中關於超聲聲束的高度的定義。關於影響兩個解析度的因素，簡述如下：橫向解析度：超聲波束的寬度。就是指垂直於聲束軸線截面的橫向分辨尺寸。由於超聲波是擴散的。在近場區，波束寬度大致等於換能器的直徑；在遠場區，波束擴散，隨距離增大而增大。因而橫向解析度隨深度增加而下降。縱向解析度：脈沖寬度。在超聲系統中一般都採用脈沖回聲技術，發射聲波為單位脈沖信號。如果一個回波A和另一個回波B剛好不重疊時，那麼A和B在圖像上就剛好能區分開來。系統帶寬、工作頻率、超聲衰減對縱向解析度也有影響。縱向解析度(axial resolution)： 分辨縱向(超聲波傳播方向)兩個最接近目標(物體)的能力，其取決於脈沖長度(pulse length)，脈沖長度越短，縱向解析度越高。縱向解析度 = 脈沖長度/2 = (脈沖周期數 * 波長) / 2。因此，減少發射脈沖的周期數或者減少超聲波波長均可提高縱向解析度。這也是提高超聲探頭(換能器)的中心頻率(超聲波波長減少，超聲波波長=聲速*周期=聲速/頻率)，就可提高縱向解析度的原因。

㈣ 超聲波束的近場區和遠場區各有什麼特點

1、近場區

生源附近由於聲壓急劇起伏，出現多個極大值和極小值，最後一個聲壓極大值處與聲源的距離成為近場長度，用N表示，N值以內的區域稱為近場區。

當測量距離r=λ/2π≈λ/6時，感應場強度與輻射場強度相當。在距離輻射源比較近(r<λ/6)的地方，感應場強度大於輻射場強度。

2、遠場區

一般當r大於3λ時，可忽略感應場的成份，認為處於遠場(區)。

輻射場強度角分布基本上與距天線的距離無關的場區，在輻射遠場區，將天線上各點到測量點的連線當作是平行的，所引入的誤差小於一定的限度。如天線尺寸為D，則遠場區距離應大於2D2/λ。

(4)為什麼超聲波束存在近場和遠場擴展閱讀：

超聲波是彈性機械振動波，它與可聽聲相比還有一些特點：

傳播的方向較強，可聚集成定向狹小的線束；在傳播介質質點振動的加速度非常之大；在液體介質中當超聲強度達到一定值後便會發生空化現象。

束射特性

從聲源發出的聲波向某一方向（其他方向甚弱）定向地傳播，稱之為束射。 超聲波由於它的波長較短，當它通過小孔（大於波長的孔）時，會呈現出集中的一束射線向一定方向前進。

又由於超聲方向性強，所以可定向採集信息。同樣當超聲波傳播的方向上有一障礙 物的直徑大於波長時，便會在障礙物後產生「聲影」。這些猶如光線通過小孔和障礙物一樣，所以超聲波具有和光波相似的束射特性。

超聲波的束射性的好壞，一般用發散角的大小來衡量（習慣上用半發射角臼表示）。以平面圓形活塞式聲源為例，其大小決定超聲波基本原理於聲源的宜徑(D)和聲波的波長(λ)。

參考資料來源:網路-超聲波基本原理

參考資料來源：網路-超聲波

㈤ 實施超聲探傷時，應如何選擇超聲探頭

超聲波探傷中，超聲波的發射和接收都是通過探頭來實現的。探頭的種類很多，結構型式也不一樣。探傷前應根據被檢對象的形狀、衰減和技術要求來選擇探頭。探頭的選擇包括探頭型式、頻率、晶片尺寸和斜探頭K值的選擇等。

1. 探頭型式的選擇
   常用的探頭型式有縱波直探頭、橫波斜探頭表面波探頭、雙晶探頭、聚焦探頭等。一般根據工件的形狀和可能出現缺陷的部位、方向等條件來選擇探頭的型式，使聲束軸線盡量與缺陷垂直。
   縱波直探頭只能發舉敬射和接收縱波，束軸線垂直於探測面，主要用於探測與探測面平行的缺陷，如鍛件、鋼板中的夾層、折疊等缺陷。
   橫波斜探頭是通過波形轉換來實現橫波探傷的。主要用於探測與深測面垂直或成一定角的缺陷。如焊縫生中的未焊透、夾渣、未溶合等缺陷。
   表面波探頭用於探測工件表面缺陷，雙拿凱晶探頭用於探測工件近表面缺陷。聚焦探頭用於水浸探測管材或板材。

2. 探頭頻率的選擇
   超聲波探傷頻率在O.5～10MHz之間，選擇范圍大。一般選擇頻率時應考慮以下因索。
   (1)由於波的繞射，使超聲波探傷靈敏度約為，因此提高頻率，有利於發現正敏慎更小的缺陷。
   (2)頻率高，脈沖寬度小，分辨力高，有利於區分相鄰缺陷。
   (3)可知，頻率高，波長短，則半擴散角小，聲束指向性好，能量集中，有利於發現缺陷並對缺陷定位。
   (4)可知，頻率高，波長短，近場區長度大，對探傷不利。
   (5)可知，頻率增加，衰減急劇增加。
   由以上分析可知，頻率的離低對探傷有較大的影響。頻率高，靈敏度和分辨力高，指向性好，對探傷有利。但頻率高，近場區長度大，衰減大，又對探傷不利。實際探傷中要全面分析考慮各方面的因索，合理選擇頻率。一般在保證探傷靈敏度的前提下盡可能選用較低的頻率。
   對於晶粒較細的鍛件、軋製件和焊接件等，一般選用較高的頻率，長用2.5～5.0MHz。對晶粒較粗大的鑄件、奧氏體鋼等宜選用較低的頻率，常用O.5～2.5MHz。如果頻率過高，就會引起嚴重衰減，示波屏上出現林狀回波，信噪比下降，甚至無法探傷。

3. 探頭晶片尺寸的選擇中科朴道超聲波探傷儀
   探頭圓晶片尺寸一般為φ10～φ30mm，晶片大小對探傷也有一定的影響，選擇晶片尺寸時要考慮以下因素。
   (l)可知，晶片尺寸增加，半擴散角減少，波束指向性變好，超聲波能量集中，對探傷有利。
   (2)由N=等可知，晶片尺寸增加，近場區長度迅速增加，對探傷不利。
   (3)晶片尺寸大，輻射的超聲波能量大，探頭未擴散區掃查范圍大，遠距離掃查范圍相對變小，發現遠距離缺陷能力增強。
   以上分析說明晶片大小對聲柬指向性，近場區長度、近距離掃查范圍和遠距離缺陷檢出能力有較大的影響。實際探傷中，探傷面積范圍大的工件時，為了提高探傷效率宜選用大晶片探頭。探傷厚度大的工件時，為了有效地發現遠距離的缺陷宜選用大晶片探頭。探傷小型工件時，為了提高缺陷定位定量精度宜選用小晶片探頭。探傷表面不太平整，曲率較大的工件時，為了減少耦合損失宜選用小晶片探頭。

4. 橫渡斜探頭K值的選擇
   在橫波探傷中，探頭的K值對探傷靈敏度、聲束軸線的方向，一次波的聲程(入射點至底面反射點的距離)有較大的影響。由圖l.39可知，對於用有機玻璃斜探頭探傷鋼制工傳，βs=40°(K=O.84)左右時，聲壓往復透射率最高，即探傷靈敏度最高。由K=tgβs可知，K值大，βs大，一次波的聲程大。因此在實際探傷中，當工件厚度較小時，應選用較大的K值，以便增加一次波的聲程，避免近場區探傷。當工件厚度較大時，應選用較小的K值。