为什么超声波束存在近场和远场

㈡ 超声波的特点

穿透力强,可以用超声波测距离,就是我们所说的声纳,还有超声波的破碎力强,可以用来碎石,就是结石.
下面在详细介绍下:

超声波的基本特性

频率在2kHz以上的声波称之为超声波，由于频率f升高，波长λ变短使得超声波比普通声波具有特殊性，即近似于光的某些特征。如束射性，由一种媒质进人另一种媒质发生折射、反射等。同时有很强的被吸收性与衰减性，带有很强的能量。本节简要介绍超声波的几个主要特征。

【超声波的束射性】

人耳可感受的声音是无指向性的球面波，即以声源为中心呈球面向四周扩散周围均能听到声音。由于超声波频率很高，所以方向性就相对要强，方向性即柬射性。当超声波发生体压电晶体的直径尺寸远大于超声波波长时，则晶体所产生的超声波就类似于光的特性，如图1一1一1所示。

紧靠晶体辐射板的一段叫近场区，接近于圆柱状；离晶本辐射较远的部分，超声波以一定的角度扩散，叫远场区。若压晶体圆片的直径为D,超声波在该介中的波长为λ，则近区的长度为：

D2－λ2 D2

N= ———— ≈ —— （D》λ）

4λ 4λ

由上式看出，压电晶体片直径愈大或频率越高，即波长λ愈短，则近场区的长度愈长，此超声波场的束射性就愈好。

声学工作者用光衍射法，对医用超声波换能器的声场显示做了深入、生动的研究。

就是这个研究成果的一组照片，它对我们深入而又形象地理解超声波的束射性，超声波的聚焦性，都有很大的帮助。图1-2是这种是这种光衍射法的实验光路图。图中的He——Ne激光器的波长为6328A（埃），O为一组组合透镜，它将光束镜发出的扩散光束变为平行光束。最后在相屏上得到的是一个超声波声束的倒立的实相。图1-3图1-6的一组照片，就是从这个相屏上拍摄而成的。整个实验均在暗室中进行。图1-5所示的这张未聚焦的单片换能器的全景超声波束照片，是我们超声波治疗机所发出的超声波声束的生动、形象的显示，是值得我们深入研究和理解的。

理解了超声波的束射性，对超声波治疗有重要的意义。由于超声波具有很强的束射性，在超声波治疗时，要注意使用声头辐面垂直，对准治疗部位。以由于超声波声头辐射出的超声波场中心处最强，愈向外侧愈弱，所以，在超声波治疗操作时，一般都要以一定的速度，在治疗部位做小圆周或其它形式的移动，以使治疗部位得到的超声波剂量基本均匀，从而保证治疗效果的良好。

【超声波的透射、反射、折射与聚集】

由于超声波的频率较高，所以超声波在定向传播时，在两种不同媒质的分界面上，会出现类似于光线一样的透射、反射和折射现象。

光线的透射、反射与折射现象是常见的。例如，我们在一个黑暗的环境里将一束光线投身到一个盛满水的透明玻璃烧杯里，我们将十分清楚地看到光线在水面上产生的透射、反射与折射现象。我们采用图1一2所示的光衍射法，也可以清楚地看到超声波声束的反射、透射与折射现象。见图1一7。

光的聚集现象是常见的。如果我们手边在一个放大镜，在强烈的阳光下，太阳光经过放大镜的聚集到一点，就会将这一点上的纸或者香烟等物点燃。许多人都亲身做过这个实验。

超声波的聚集现象和光线的聚集现象是一样的。利用超声波聚集装置可以将超声波束会聚到一点，从而将超声波的声强提高几倍甚至几千倍，利用这样巨大的声强可以做许多很有意义的工作。例如:超声波切割、超声波钻孔、超声波打磨等。

【超声波的吸收与衰减】

声波在各种媒质中传播时，由于媒质要吸收掉它的一部分能量，所以，随着传播路程的增加，声波的强度会逐渐减弱。

在一个广场上，一个民族弦乐正在为广大群众作街头演出，许多人闻讯前去观看和欣赏那动听的音乐。当你从远处走近这个乐队时，首先听到的是那音调低沉的鼓声，随着你慢慢走近乐队，你就逐渐听到了锁呐声、笛声、二胡声等;当你最后走到乐队周围时，你才听到了那音调很高的清脆的铃声。

这个例子，很生动地说明了各种不同频率的声波，在空气中传播时被吸收的程度是不同的。频率越高的声波，空气对它的吸收越强，所以它传播的距离较短。例如上述乐队中音调很高的铃声;因其频率很高，空气对它的吸收作用很强，所以传不远。反之，对频率越低的声波，空气对它的吸收较少，因此，它传播的距离较长。上述乐队中音调低沉的大鼓声音传得很远，正是由于它的频率很低的缘故。

声波在媒质中传播时，被吸收而衰减的另一个特点是对于同一个声波，当它在围体、液体或气体，以及各种不同物质中传播时，它被吸收的程度也是不同的。对于一个频率固定的声波，在气体中传播时，它被吸收的最厉害;在液体中传播时，它吸收的较少；而在固体中传播时，则被吸收的最少。所以，声波在空气中传播的最短，在水中则可传播的远一些，而在金属中则能传播得很远。

以上关于声波吸收的两个特性，无论对可听声，或是对超声波，都是适用的。对于超声波来讲，由于它的频率很高，所发，它在空气中传播时，被吸特别厉害。据科学家们的实验，频率为100亿Hz的超声波，在它离开声源的一刹那间，马上会被空气全部吸收掉。在超声波治疗的临床应用中，对于超声波的吸收特性，必须予以足够的重视。这一点，在下面的有关章节中，将要详细谈到。

【超声波的巨大能量】

超声波之所以在工业、国防和医疗等方面发挥着独特而又巨大的作用，还有一个原因是由于超声波比一般可听声有着强大的功率。根据声学工作者的实验测定，一般的讲话声音的能量是很小的。假设我们想用普通说话的能量来烧开一壶水，那么，必须动员700多万人，连续大声喊叫12个小时才行。超声波具有的能量，要比一般可听声大的多。根据有关声学实验测定，频率为100万赫兹的超声波的能量，要比同幅度的频率为1000赫兹的可听声能量大100万倍。所以说，拥有巨大的能量，是超声波的一个重要特点。超声波的许多应用，也都是利用它的这一特点进行工作的。为什么超声波拥有这么强大的功率呢？这是由于声波到达某一物质中时，由于声波的振动作用，使物质中的分子随便之一起振动，两者振动的频率是一致的。物质分子振动的频率，决定了该物质分子振动的速度，频率越高，速度越大。我们知道，一个运动物体所具有的动能E与其质量M和运动速度有下列关系:

E=Mv2

即，运动物体的动能与其质量成正比，与其速度的平方也成正比。

由于超声波的频率很高，它使所进入的物质分子运动速度，也随之变的很高。根据上式可知，这样高的运动速度，使该物质分子具有很大的动能，这就是超声波拥有巨大能量的缘故。

【超声波的声压特性】

所谓“声压”指的是由于声波的振动而使声场中的物体受到附加压力的强度，单位为公斤/平方厘米，一般可听声的声压非常微小，其数值约为0.000001公斤/平方厘米~0.000002公斤/平方厘米。这公微小的声压，一般是不引起人们的注意的。但是，超声波的声压，一般是很大的。例如，在水中通过一般强度的超声波时，因超声波而产生的附加压力，可以达到好几个大气压。超声波之所以能够产生这样强的声压，可以达到好几个大气压，其根本原

因仍然是由于超声波的频率很高，所以振动时，使高密度分子间的伸拉很快以致使其间形成瞬时的真空与压缩高密度区，产生巨大的压力差。当它的振幅达到一定程度时，超声波拥有的能量十分巨大。

当超声波束通过液体时，由于巨大的超声波声压作用，可以在液体中出现"空化现象"。这种现象所产生的瞬时压力，可以高达几千个，甚至上万个大气压!这么巨大的瞬时压力，使超声波的应用，在许多方面显示出它独特的巨大作用。现在已被普遍应用的超声波清洗，超声波乳化等，都是超声波空化现象的具体运用。

超声波的空化现象是怎样产生的呢?让我们通过观察一个声学实验，来了解空化现象产生的奥妙。

如图1一8所示，在一个盛满水的玻璃容器中，放大一个超声波发生器的声头。

在超声波机末工作之前，该容器中的液体分子受到的只是大气压的压力，液体的分子都很稳定，没有什么变化。当超声波机开始工作后，一般强大的超声波束穿过了整个液体内部。我们知道，当声波通往某种物质时，由于声振动现象，这种压缩和稀疏相互交替的作用，使该物质分子受到的压力产生了变化。例如当超声波振动使水分子压缩时，水分子所受到压力将是大气压加上水分子被压缩时受到的压力，这个变化的压力就是前面我们所谈到的"声压"。当这个巨大的声压使水分子团压缩时，好象水分子团受到了来自四面八方的巨大压力(参看图1一8A)当超声波振动使水分子稀疏时，水分子又受到了向四面八方散开的拉力(参看图1一8B)。对于一般的液体，它能经受得住声压的巨大压力作用，所以在受到压缩力时，水分子团不会发生反常的现象。但是当水分子团受到稀疏作用而受到四面八方的拉力时，它们就支持不住了。在拉力集中的地分，水分子团就会断裂开来，这种断裂作用，最容易发生在存有杂质和气泡的地方，因为这些地方水的强度特别低，根本经不住几倍于大气压力的巨大的拉力作用而发生断裂。这种断裂的结果，使水中会产生许多气泡状的小空腔，这种空腔存在的时间很短，一瞬间，就会闭合起来。小空腔闭合的时侯，会产生巨大的瞬时压力，一般的可高达几千个，甚至上万个大气压。这种巨大的瞬时压力，可以使悬浮在水中的固体表面受到急剧的破坏，超声波的绝妙的清洗作用、乳化作用以及超声波治疗中利用超声波来击碎 脑血栓和胆结石块等，都是运用了超声波的这种巨大的瞬时压力。这种由于超声波在液体中的声压，而使液体分子团破裂而产生无数气体小空腔，由于这些小空腔闭合而产生的瞬时压力的现象，称之为超声波的空化现象。超声波的空化现象，也是超声波的重要特性之一。

㈢ 如何理解超声的分辨率

首先超声系统分辨率的定义是指辨别两种物体、两种组织或两个目标的能力，定义为在显示器上刚好能区分开的两点靶间距的实际距离。距离越小，分辨率越强。同时还有一个相似的概念叫分辨力，为靶间距的实际距离的倒数。横向分辨率（又称径向分辨率或方位分辨率）描述了沿着与波束轴线垂直的、波束截面扫描方位上的分辨率。纵向分辨率（又称距离分辨率或者轴向分辨率）是指沿着波束轴线方向的分辨率。不太清楚问题中关于超声声束的高度的定义。关于影响两个分辨率的因素，简述如下：横向分辨率：超声波束的宽度。就是指垂直于声束轴线截面的横向分辨尺寸。由于超声波是扩散的。在近场区，波束宽度大致等于换能器的直径；在远场区，波束扩散，随距离增大而增大。因而横向分辨率随深度增加而下降。纵向分辨率：脉冲宽度。在超声系统中一般都采用脉冲回声技术，发射声波为单位脉冲信号。如果一个回波A和另一个回波B刚好不重叠时，那么A和B在图像上就刚好能区分开来。系统带宽、工作频率、超声衰减对纵向分辨率也有影响。纵向分辨率(axial resolution)： 分辨纵向(超声波传播方向)两个最接近目标(物体)的能力，其取决于脉冲长度(pulse length)，脉冲长度越短，纵向分辨率越高。纵向分辨率 = 脉冲长度/2 = (脉冲周期数 * 波长) / 2。因此，减少发射脉冲的周期数或者减少超声波波长均可提高纵向分辨率。这也是提高超声探头(换能器)的中心频率(超声波波长减少，超声波波长=声速*周期=声速/频率)，就可提高纵向分辨率的原因。

㈣ 超声波束的近场区和远场区各有什么特点

1、近场区

生源附近由于声压急剧起伏，出现多个极大值和极小值，最后一个声压极大值处与声源的距离成为近场长度，用N表示，N值以内的区域称为近场区。

当测量距离r=λ/2π≈λ/6时，感应场强度与辐射场强度相当。在距离辐射源比较近(r<λ/6)的地方，感应场强度大于辐射场强度。

2、远场区

一般当r大于3λ时，可忽略感应场的成份，认为处于远场(区)。

辐射场强度角分布基本上与距天线的距离无关的场区，在辐射远场区，将天线上各点到测量点的连线当作是平行的，所引入的误差小于一定的限度。如天线尺寸为D，则远场区距离应大于2D2/λ。

(4)为什么超声波束存在近场和远场扩展阅读：

超声波是弹性机械振动波，它与可听声相比还有一些特点：

传播的方向较强，可聚集成定向狭小的线束；在传播介质质点振动的加速度非常之大；在液体介质中当超声强度达到一定值后便会发生空化现象。

束射特性

从声源发出的声波向某一方向（其他方向甚弱）定向地传播，称之为束射。 超声波由于它的波长较短，当它通过小孔（大于波长的孔）时，会呈现出集中的一束射线向一定方向前进。

又由于超声方向性强，所以可定向采集信息。同样当超声波传播的方向上有一障碍 物的直径大于波长时，便会在障碍物后产生“声影”。这些犹如光线通过小孔和障碍物一样，所以超声波具有和光波相似的束射特性。

超声波的束射性的好坏，一般用发散角的大小来衡量（习惯上用半发射角臼表示）。以平面圆形活塞式声源为例，其大小决定超声波基本原理于声源的宜径(D)和声波的波长(λ)。

参考资料来源:网络-超声波基本原理

参考资料来源：网络-超声波

㈤ 实施超声探伤时，应如何选择超声探头

超声波探伤中，超声波的发射和接收都是通过探头来实现的。探头的种类很多，结构型式也不一样。探伤前应根据被检对象的形状、衰减和技术要求来选择探头。探头的选择包括探头型式、频率、晶片尺寸和斜探头K值的选择等。

1. 探头型式的选择
   常用的探头型式有纵波直探头、横波斜探头表面波探头、双晶探头、聚焦探头等。一般根据工件的形状和可能出现缺陷的部位、方向等条件来选择探头的型式，使声束轴线尽量与缺陷垂直。
   纵波直探头只能发举敬射和接收纵波，束轴线垂直于探测面，主要用于探测与探测面平行的缺陷，如锻件、钢板中的夹层、折叠等缺陷。
   横波斜探头是通过波形转换来实现横波探伤的。主要用于探测与深测面垂直或成一定角的缺陷。如焊缝生中的未焊透、夹渣、未溶合等缺陷。
   表面波探头用于探测工件表面缺陷，双拿凯晶探头用于探测工件近表面缺陷。聚焦探头用于水浸探测管材或板材。

2. 探头频率的选择
   超声波探伤频率在O.5～10MHz之间，选择范围大。一般选择频率时应考虑以下因索。
   (1)由于波的绕射，使超声波探伤灵敏度约为，因此提高频率，有利于发现正敏慎更小的缺陷。
   (2)频率高，脉冲宽度小，分辨力高，有利于区分相邻缺陷。
   (3)可知，频率高，波长短，则半扩散角小，声束指向性好，能量集中，有利于发现缺陷并对缺陷定位。
   (4)可知，频率高，波长短，近场区长度大，对探伤不利。
   (5)可知，频率增加，衰减急剧增加。
   由以上分析可知，频率的离低对探伤有较大的影响。频率高，灵敏度和分辨力高，指向性好，对探伤有利。但频率高，近场区长度大，衰减大，又对探伤不利。实际探伤中要全面分析考虑各方面的因索，合理选择频率。一般在保证探伤灵敏度的前提下尽可能选用较低的频率。
   对于晶粒较细的锻件、轧制件和焊接件等，一般选用较高的频率，长用2.5～5.0MHz。对晶粒较粗大的铸件、奥氏体钢等宜选用较低的频率，常用O.5～2.5MHz。如果频率过高，就会引起严重衰减，示波屏上出现林状回波，信噪比下降，甚至无法探伤。

3. 探头晶片尺寸的选择中科朴道超声波探伤仪
   探头圆晶片尺寸一般为φ10～φ30mm，晶片大小对探伤也有一定的影响，选择晶片尺寸时要考虑以下因素。
   (l)可知，晶片尺寸增加，半扩散角减少，波束指向性变好，超声波能量集中，对探伤有利。
   (2)由N=等可知，晶片尺寸增加，近场区长度迅速增加，对探伤不利。
   (3)晶片尺寸大，辐射的超声波能量大，探头未扩散区扫查范围大，远距离扫查范围相对变小，发现远距离缺陷能力增强。
   以上分析说明晶片大小对声柬指向性，近场区长度、近距离扫查范围和远距离缺陷检出能力有较大的影响。实际探伤中，探伤面积范围大的工件时，为了提高探伤效率宜选用大晶片探头。探伤厚度大的工件时，为了有效地发现远距离的缺陷宜选用大晶片探头。探伤小型工件时，为了提高缺陷定位定量精度宜选用小晶片探头。探伤表面不太平整，曲率较大的工件时，为了减少耦合损失宜选用小晶片探头。

4. 横渡斜探头K值的选择
   在横波探伤中，探头的K值对探伤灵敏度、声束轴线的方向，一次波的声程(入射点至底面反射点的距离)有较大的影响。由图l.39可知，对于用有机玻璃斜探头探伤钢制工传，βs=40°(K=O.84)左右时，声压往复透射率最高，即探伤灵敏度最高。由K=tgβs可知，K值大，βs大，一次波的声程大。因此在实际探伤中，当工件厚度较小时，应选用较大的K值，以便增加一次波的声程，避免近场区探伤。当工件厚度较大时，应选用较小的K值。