Page 43 - 无损检测2023年第二期

王九鑫, 等:

基于 MATLAB的超声换能器声场特性仿真及可视化研究

3 仿真验证试验

为了进一步验证所开发仿真软件的数据模拟可
靠性, 笔者设计了声轴线上的声场分布仿真和声轴
横截面的声压仿真两类仿真试验进行验证。
3.1 声轴线上的声场分布仿真结果
在超声波的近场区, 声压呈现正弦振荡趋势, 当
r>N ( N 为一倍近场长度) 时, 超声换能器轴线上 图6 频率为3MHz时声轴线上的声场仿真结果
的声压振幅 pr 随距离r 单调下降, 不存在振荡 声检测的灵敏度与超声波频率呈正相关, 仿真试验
()
趋势。根据此现象研究声场变化, 可以在仿真中对 结果与实际情况相符。
缺陷位置进行定位 [ 13 ] 。 3.1.2 圆形换能器半径对声场分布的影响
3.1.1 圆形超声换能器频率对声场分布的影响 目前的超声检测设备中配套的圆形活塞换能器
超声检测过程中, 超声探头发射的声波频率 的半径是固定的, 只能通过不断更换不同尺寸的换
是固定的, 只能通过更换探头改变超声波发射的 能器改变半径。基于此, 仿真软件中可根据实际情
频率。基于此, 仿真软件中可根据实际情况改变 况改变圆形活塞换能器的半径, 观察在不同半径下
超声波的发射频率, 观察在不同频率下的声场分 的声场分布。笔者采用控制变量法, 控制圆形活塞
布。笔者采用控制变量法, 控制圆形活塞换能器的 换能器发射的声波频率、 介质种类等其他因素不变

半径、 介质种类等其他因素不变( 半径为20mm , 介 ( 频率为1MHz , 介质为水), 改变圆形活塞换能器
质为水), 改变圆形活塞换能器发射的声波频率, 进 的半径进行对比试验。

行对比试验。 ( 1 ) 半径为20mm时, 一倍近场长度为294.46mm ;

( 1 ) 频率为 1MHz 时, 一倍近场长度为 294.46mm ; 仿真试验结果如图7所示。
仿真试验结果如图4所示。

图7 半径为20mm 时声轴线上的声场分布仿真结果

图4 频率为1MHz时声轴线上的声场仿真结果 ( 2 )半 径 为 25 mm 时, 一 倍 近 场 长 度 为

( 2 ) 频率为2MHz 时, 一倍近场长度为587.64mm ; 459.93mm ; 仿真试验结果如图8所示。
仿真试验结果如图5所示。

图8 半径为25mm 时声轴线上的声场分布仿真结果

图5 频率为2MHz时声轴线上的声场仿真结果 ( 3 ) 半径为30mm时, 一倍近场长度为661.68mm ,

( 3 ) 频率为3MHz 时, 一倍近场长度为882.55mm 。 仿真试验结果如图9所示。
仿真试验结果如图6所示。 综上可得, 到活塞半径越大, 发射声波的一倍近
通过以上试验可得, 超声频率越高, 一倍近场长 场长度越大, 即超声传播距离越远, 穿透性越强。仿
度越大, 即超声传播距离越远, 穿透性越强; 同时, 超 真结果与实际情况相符。

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2023年 第45卷 第2期
无损检测