描述超声场的物理量

超声场是由声源向介质发射超声波时，在介质内的空间形成的区域（介质中有超声波存在的区域），涉及的特征量有声速、声压、声强和声阻抗。

2.4.1.1　声速

波动在单位时间内的传播距离就是波动传播的速度。在声学中，超声波在媒质中的传播速度称为声速。从波动的定义可知：相位相同的相振动质点之间的距离称为波长，用字母λ表示；质点在其平衡位置附近来回振动一次，超声波的振动状态向前传播了一个波长。若质点每秒钟振动f次（f为振动频率），超声波就向前传播了fλ的距离，该距离就是每秒钟传播的距离，也就是声速，用符号c表示。但是这仅从波动定义上表达了波长、频率、波速三者之间的相互关系，媒质的物理形态不同，其计算方式也不同。

1）气体中的声速

气体不具备剪切弹性，因此只有纵波可以在空气中传播，工程中常用的理想气体中的声速由下式给出：

式中　κs——气体的绝热体积压缩系数；

P0——周围环境的压力；

R——摩尔气体常数；

T——绝对温度；

M——气体的分子量；

γ——气体的定压比热和定容比热之比。

2）液体中的声速

液体中同样也只有纵波存在，在线性声学中，液体中的声速公式为

式中　κ's——液体的绝热压缩系数。

3）固体中的声速

固体中既可以传播纵波，又可以传播横波，在固体弹性介质中的声速可用下列一般公式表示。

纵波声速公式为

横波声速公式为

式中　E——杨氏模量；

σ——泊松比。

2.4.1.2　声压与质点速度

超声场中，某一点在某一时刻具有的压力P与没有超声存在时的静压力P0之差称为声压p，单位为Pa，是声波传播过程中介质质点在交变振动的某一瞬时所受的附加压强。超声波在介质中传播时，介质每一点的声压随时间和位移量的不同而变化；也就是说，瞬时声压是时间和距离的函数，理论证明它可由数学式表达：

式中　ρ——媒质密度；

c——媒质中的声速；

ξm——媒质质点振动位移的振幅；(www.xing528.com)

υ——媒质质点的振动速度；

ω——媒质质点振动的角频率，一般取2πf。

通过式（2.1）可知，介质中某点的声压与介质密度ρ、声速c和质点振动速度υ成正比。固体介质由于密度大、声速高和振速高，所以置于同一超声场中的介质（离声源距离相同），以固体介质中的声压最高，液体中声压其次，气体中声压最小。当然就不同的固体介质而言，因材料性质、密度、声速的差异，它们的声压也有所区别。

媒质中质点的振动速度为

2.4.1.3　声强

超声波的声强I是指在垂直于行进波的传播方向上，每平方厘米每秒所传送的能量，即

式中　E——能量；

S——面积；

t——时间。

进一步推导还可以得出

由式（2.2）可以看出，声强与质点振动位移振幅的平方成正比，与质点振动的角频率平方成正比，也与质点振动振速振幅的平方或者声压振幅的平方成正比。

2.4.1.4　声阻抗

声阻抗的定义为声压与体积速度之比，即

式中　U——体积速度；

Ra——声阻；

Xa——声抗。

声阻抗比较常见的形式为特性阻抗，即

式中　ρ——媒质静密度；

c——媒质中的声波传播速度。

声阻抗能直接表示介质的声学特性，在超声探伤中所采用的许多方程式或公式中，经常出现介质密度与声速的乘积，而不是其中的某一个值，因此有必要将ρc作为一个独立的概念来理解。

2.4.1.5　声衰减

声波在媒质中传播时，其强度随传播距离的增加逐渐减弱，这种现象称之为声衰减。按照声衰减的机制不同，可分为三种主要类型：吸收衰减、散射衰减和扩散衰减。根据声学理论，吸收衰减和散射衰减都服从指数衰减规律。对沿X方向传播的平面波而言，不考虑扩散衰减，声压随距离的变化由式（2.3）表示：

式中　α——声衰减系数。

在上述情况下，总的衰减系数由吸收衰减系数与散射衰减系数叠加而成。实际上，在一般工程中还存在扩散衰减现象，这主要是由于声波在传播过程中因波阵面的面积扩大导致声强减弱。显然，这种衰减与媒质无关，其仅仅取决于声源的辐射以及声束扩散。如果声源辐射的为球面波，则其声强按r-1规律衰减，如果声源辐射的为柱面波，则其声强按r-2规律衰减。因此这种因波形形成的扩散衰减，在一般计算衰减系数时要按照波形单独计算。