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超声波换能器的波束角
来源:*** | 作者:*** | 发布时间: 2026-07-01 | 13 次浏览 | 🔊 点击朗读正文 ❚❚ | 分享到:

       波束角是以传感器中轴线的延长线为轴线,由此向外,至能量强度减少一半(-3dB)处,这个角度被称为波束角,又称半功率波束宽度,其大小与工作频率及产品尺寸相关。该参数在超声波、雷达、声呐等领域影响能量集中程度与探测精度。

       换能器和换能器阵的指向性是指其发射响应(电压响应和功率响应)或接收响应(声压灵敏度或功率灵敏度)的幅值随方位角的变化而变化的一种特性。通常,它在某个参考方向有一个极大值,将这种指向性响应按其相对比画成图,就可以得到指向性响应图。这种图可以绘成二维的,也可以是三维的。

       超声波换能器的方向性定义为超声强度在与换能器的特定距离处衰减的角度,相对于主发射方向上定义为0dB的最大强度。超声波换能器的方向性角度受超声波波长和发射表面尺寸的影响。频率越高,波长越小,方向角越窄;发射面的尺寸越大,指向性角越小。


       发射换能器或换能器阵指向性形成的物理原因是发射器各部分所发射声波在自由场远场区中干涉叠加的结果,将辐射面上每一点看作点声源,点声源所产生的声波是没有指向性的球面波,所有这些子波相互叠加,在发射空间的远场便形成了指向性。

  对接收换能器或换能器阵指向性形成是由子接收换能器或换能器阵处于声源的远场区,到达接收阵表面上的声波产生的总作用力是各子波干涉叠加的结果,这一总作用力随入射声波线束入射角变化而变化,其开路输出电压也随入射波束入射角变化而变化。

  若换能器或换能器阵的各阵元都是互易换能器,可以证明换能器或换能器阵的发射指向性图与接收指向性图是相同的。

  指向性参数的描述:

  锐角度图片1.png:指主波束在两侧出现的第一个极小值之间的夹角;

  波束宽度图片2.png:指主波束指向性函数在主极大两侧下降到主极大值的0.707(半功率点)的夹角;

  波束宽度还有图片3.png图片4.png图片5.png

  旁瓣级:指向性图中最大旁瓣幅值归一化的声级,他的大小对发射器来说反映旁瓣方向上总辐射能量比例的多少,对接收器来说反映旁瓣方向上假目标信息量的多少。

  定向准确度:在水声中常用的参量,当声源逐渐偏离最大值方向,检测设备所接收到的声压值也将有最大值逐渐减小,指示器上能发现这种减小所对应的最小偏角称为设备的定向准确度,

       用图片6.png表示,它与指向性函数之间的关系为:图片7.png


用三张图来清晰描述半功率角和锐角度的形式:


      第一张:-3dB发射角(也叫半功率角)

500.3.jpg

  第二张:-6dB发射角

  第三张:锐度角

500.1.jpg