超聲脈沖波的聲場詳解

充滿超聲波的空間為超聲波場。由于聲場特性與超聲波檢測結果密切相關，所以了解聲場的特性很重要。脈沖波可以看成由多個正弦（余弦）波疊加而成，就可以通過研究各種頻率的正弦波聲場，其中每種頻率的超聲波決定一個聲場，總的聲場為各種頻率聲場的合成。脈沖波是持續(xù)時間很短的波動，所以由同一聲源表面上各個單一點源輻射的脈沖子波到達聲場某一點的時間可能不同。

所以它們可能不產生干涉或者只產生不完全的干涉，且脈沖寬度越窄，干涉越小。因此，與連續(xù)波相比，脈沖波的空間干涉現(xiàn)象減弱了，聲場中聲壓的波動較小。

研究超聲波在介質中的傳播特性時，如果涉及到的問題與上述脈沖波及其干涉等特點無關，那么從連續(xù)波的角度推導出來的如反射、衍射、折射、散射和吸收等規(guī)律的結論，仍然適用于脈沖波。例如，在連續(xù)平面波垂直入射于無限大介質界面的前提下推導出來的聲壓反射率和聲壓透視率公式，推導過程中不用考慮相干波的干涉。

若連續(xù)波垂直入射于有限介質的界面時，由于通常伴隨相干波的干涉。此時對于連續(xù)波，聲波反射率和聲壓透射率公式只能是近似的。但是當脈沖寬度很窄的脈沖波垂直入射至有限介質時，因為來不及產生干涉，聲壓反射率和聲壓透視率公式仍然適用。實際應用中在涉及到波的疊加等問題時，要根據(jù)具體情況進行分析。

脈沖波相對于連續(xù)波的主要特點是持續(xù)時間短，因而在空間的相關長度也較短。據(jù)此可預見，在換能器輻射的遠場，特別是近軸區(qū)域，由于來自換能器輻射面的聲程差不大，其相干性與連續(xù)波相近，因為其聲場仍可沿用連續(xù)波的計算結果，如指向性的主瓣附近區(qū)域。但在聲程差較大的區(qū)域，如近場及偏離聲軸方向上，相干較弱，因而近場起伏及旁瓣均大大減小。

一般說來，脈沖持續(xù)時間越長，即脈沖包絡中所含的波數(shù)越多，聲場越接近于連續(xù)波場。圖1-10給出了同一圓形平面活塞式超聲波換能器在不同連續(xù)時間（包含的脈沖個數(shù)）下，向水中輻射的脈沖波聲場的聲壓分布計算值。

圖1-10 圓形平面活塞式超聲波換能器脈沖聲場聲壓分布（換能器半徑a=7.5mm，頻率f=2MHz） a）脈沖波數(shù)目n=24 b）脈沖波數(shù)目n=2

審核編輯：符乾江