充滿超聲波的空間或超聲振動(dòng)所波及的部分介質(zhì)稱為超聲場。描述超聲場的常用物理量主要有聲壓、聲阻抗、聲強(qiáng)等。


1. 聲壓


 假設(shè)某一點(diǎn)在沒有超聲波存在時(shí)的靜態(tài)壓強(qiáng)為P0,存在超聲波時(shí)某一時(shí)刻所具有的壓強(qiáng)P1,兩者之差即為該點(diǎn)的瞬時(shí)聲壓P。聲壓單位與壓強(qiáng)單位相同,均為Pa(帕)。


有效聲壓是指在一定時(shí)間間隔內(nèi),瞬時(shí)聲壓對時(shí)間取均方根值,即


1.jpg



超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),介質(zhì)每一點(diǎn)的聲壓隨時(shí)間和振動(dòng)位移量的不同而變化,所以瞬時(shí)聲壓P是時(shí)間和位移的函數(shù),可由下式表達(dá):


式 1.jpg



 由式(2.1)可知,超聲場中某一點(diǎn)的聲壓按余弦函數(shù)周期性變化。聲壓的幅值與介質(zhì)的密度、波速、質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度成正比。通常固體介質(zhì)由于密度大、聲速高和質(zhì)點(diǎn)振速高,導(dǎo)致置于同一超聲場中的介質(zhì)(離聲源距離相同),以固體介質(zhì)中的聲壓最高,液體中聲壓次之,氣體中聲壓最小。當(dāng)然,對于不同固體介質(zhì)而言,因材料性質(zhì)、密度、聲速等因素的差異,對應(yīng)的聲壓也會(huì)有所區(qū)別。一般認(rèn)為,探傷儀顯示屏上的信號(hào)高度與聲壓成正比。



2. 聲阻抗


 超聲場中任一點(diǎn)的聲壓與該處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度之比稱為聲阻抗,也稱特性阻抗,常用符號(hào)Z表示,單位為kg/(m2·s)[千克/(平方米·秒)]:


式 2.jpg


 由式(2.2)可知,聲阻抗的大小等于介質(zhì)的密度與波速的乘積。不難看出,在同一聲壓下,Z增加,質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度下降。因此聲阻抗Z可理解為介質(zhì)對質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用。類似于電學(xué)中的歐姆定律 I=U/R,電壓定,電阻增加,電流減少。


聲阻抗是表征介質(zhì)聲學(xué)性質(zhì)的重要物理量。超聲波在異種介質(zhì)界面上的反射和透射情況與聲阻抗關(guān)系密切。



3. 聲強(qiáng)


單位時(shí)間內(nèi)在垂直于聲波傳播方向的介質(zhì)指定面積上所通過的平均聲能量,稱為平均聲功率或平均聲能量流。單位面積上的平均聲功率稱為聲強(qiáng)度,簡稱聲強(qiáng),通常用符號(hào)I表示,單位為瓦/平方米(W/㎡),可寫作


式 3.jpg


由式(2.3)可知,在同一介質(zhì)中,聲強(qiáng)與聲壓的平方成正比。



4. 聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)


 直接使用聲壓、聲強(qiáng)等物理量描述實(shí)際生活中的各種聲音,數(shù)值變化范圍會(huì)非常寬,涉及的數(shù)量級(jí)也相差巨大,如果使用對數(shù)標(biāo)度來進(jìn)行比較計(jì)算就能大大簡化運(yùn)算。另一個(gè)原因是人耳對聲音的接收更接近正比于其對數(shù)值,并非正比于強(qiáng)度。因此,在聲學(xué)中普遍使用對數(shù)標(biāo)度對聲壓、聲強(qiáng)等參數(shù)進(jìn)行度量,對應(yīng)的,分別稱為聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí),單位用Bel(貝爾)表示,因?yàn)樨悹柕膯挝槐容^大,工程上使用時(shí)將其縮至1/10后以dB(分貝)為單位。


 聲壓級(jí)的符號(hào)通常用Lp表示。定義聲壓級(jí)為將待測聲壓的有效值Pe與基準(zhǔn)聲壓P0。的比值取以10為底的常用對數(shù),再乘以20,即


2.jpg


 在空氣中,基準(zhǔn)聲壓為P0=2×105Pa,這個(gè)數(shù)值是正常人聽覺對1kHz聲音稍稍感知到的最低聲壓值,低于此,通常人的聽覺系統(tǒng)就感知不到了,亦即聽閾聲壓級(jí)為0dB。人耳的聽覺從可聽閾的2×105Pa的聲壓到痛閾的20 Pa,兩者相差100萬倍,而用聲壓級(jí)來表示則變化為0~120dB的范圍,使對聲音的描述大為方便。


聲強(qiáng)級(jí)的符號(hào)為LI,定義為待測聲強(qiáng)I與基準(zhǔn)聲強(qiáng)I0的比值取以10為底的常用對數(shù),再乘以10,即


3.jpg


在空氣中,基準(zhǔn)聲強(qiáng)I0取為1×1012 W/㎡,與空氣中基準(zhǔn)聲壓相對應(yīng),是能夠引起人耳聽覺的最低聲強(qiáng)。


垂直線性較好的探傷儀,顯示屏顯示的信號(hào)高度與聲壓成正比,有


4.jpg


式中,基準(zhǔn)聲壓P1和基準(zhǔn)聲強(qiáng)H1可任意選取。


常用聲壓比(波高比)對應(yīng)的分貝值見表2.1.


表 1.jpg