海底管道勘測使用超生探頭聲場探究

發(fā)布于：02-11

聲束到達(dá)透鏡后，由于在透鏡中的聲程不同，聲波出現(xiàn)相位上的變化，此時(shí)透鏡的作用相當(dāng)于相位變換器，假設(shè)聲波在透鏡中按球面波衰減，則到達(dá)透鏡曲面上的聲壓P2為P2=p0expj0t-r（1-cos）c1r（1-cos）（2）式中c1為透鏡材料中的聲速。把透鏡曲面上的點(diǎn)作為二次點(diǎn)源，向外發(fā)射球面波，不考慮它們間的相互干涉，則空間一點(diǎn)M（x，y，z）處，由透鏡曲面上一點(diǎn)發(fā)射到該點(diǎn)的聲壓P3為P3=p0expj0t-r（1-cos）c1-Rc2r（1-cos）R（3）式中R=（x-x1）2+（y-y1）2+2，點(diǎn)（x1，y1，r（1-cos）是透鏡曲面上的點(diǎn)；c2是水中的聲速?？臻g一點(diǎn)的聲壓可看作是透鏡曲面上所有的點(diǎn)源在這一點(diǎn)輻射的聲壓之和。為此，在透鏡曲面上取一微元ds，ds=rdxd，則微元向空間一點(diǎn)輻射的聲信號為dp=rp0expj0t-r（1-cos）c1-Rc2r（1-cos）Rdxd（4）沿透鏡曲面積分，就是線聚焦超聲探頭在空間的聲場分布數(shù)學(xué)模型。



數(shù)值模擬直接求解式（5）得聲場分布的精確解較難。我們采用近似的方法計(jì)算這一積分。將透鏡按長度方向分成M等分，再將其按角度的方向分成N等分。則可將透鏡曲面分成MN個(gè)小塊，空間一點(diǎn)的聲壓可看成是這些小塊發(fā)射的聲壓疊加。只要M和N足夠多，是可以滿足計(jì)算精度要求的。取透鏡材料為有機(jī)玻璃
，其中聲速為2700m/s，水中聲速為1500m/s，透鏡的曲率半徑為20mm，透鏡長10mm，寬10mm，超聲波中心頻率為5MHz.經(jīng)編程計(jì)算，其中心線（z軸方向）上的聲壓分布如中實(shí)線所示。此時(shí)最大聲壓對應(yīng)的距離為43mm，即該探頭的焦距為43mm.



試驗(yàn)結(jié)果及分析試驗(yàn)用探頭與數(shù)值計(jì)算時(shí)參數(shù)一致，試驗(yàn)是在水中利用小球法得到的，測量沿著z軸方向的步長為5mm，共測了14個(gè)點(diǎn)，結(jié)果中虛線。從圖中可看出，理論值與實(shí)測分布基本吻合。結(jié)束語論文在對比分析了目前常用的超聲探頭的性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出使用線聚焦超聲探頭的方案。并建立了該種探頭的數(shù)學(xué)模型，對其進(jìn)行了數(shù)值模擬，并實(shí)測了其中心線上的聲壓分布，二者吻合較好。