高效实用的变声程回波测量仪器

本研究中所采用的变声程脉冲回波测量装置也可以称之为直接接触式脉冲回波装置，装置的示意图和实物图分别如图6.8和图6.9所示。

图6.8　变声程测量装置示意图

图6.9　变声程测量装置实物图

改变超声波反射板的位置，分别获得两次不同距离超声波反射回波的频谱，可以得到不同频率分量的超声衰减系数，超声衰减系数通过式（6.1）计算获得：

式中　V1——距离r1处某一频率超声波强度；

V2——距离r2处某一频率超声波强度；

r——反射板与超声波换能器之间的距离。

采用变声程方式测量超声衰减谱需要避开超声波声场的影响，保证纳米颗粒两相介质中的超声波声程大于超声波近场距离，方可获得较为准确的超声衰减谱。对于脉冲波而言，作为一种瞬态扰动，可以看作无限多个谐动的叠加，从而可以将脉冲波分解为无穷多个不同频率的正弦（余弦）波。某一单频圆盘状连续波声源，其声轴线上的声压分布可由式（6.2）给出：

式中　ρ——声传播介质密度；(www.xing528.com)

c——介质中声速；

u0——圆盘声源的速度振幅；

λ——声传播介质中某特定频率的超声波波长；

a——圆盘声源半径；

z——观察点与圆盘声源的距离；

α——衰减系数。

图6.10为单频圆盘状连续波声源声轴线声压分布曲线。其中，N为超声波传播介质中的近场长度，其计算由式（6.3）给出：

图6.10　单频圆盘状连续波声源声轴线声压分布曲线

由图6.10可见，如果变声程装置的超声波声程小于超声波近场长度，则会出现超声波幅值振荡，所测出的超声衰减谱存在极大的不确定性，甚至出现负值，导致反演结果不准确。因此在试验中所有的检测均确保满足超声波远场条件。图6.11为反射面与探头距离分别为20 mm和25 mm情况下获得的水中超声衰减谱。依据式（3.4）估算最低频率9 MHz超声波近场长度约为54 mm。因此该两声程长度均小于所采用频率的超声波近场长度，从图中可以发现不同频率分量的超声衰减系数之间振荡剧烈且出现负值，近场内声场影响十分明显。

图6.11　近场内测得超声衰减谱