3.3聚焦声源发射声场

3.3聚焦声源发射声场3.3.1聚焦声场的形成常规的纵波声场或横波声场，声柬是以一定的角度向外扩散出去的，能量不集中，缺陷定量精度差，对粗晶材料检测困难大，60年代发展起来的聚焦声源发射的声场具有声束细，能量集中，分辨力和灵敏度高等优点。用聚焦探头测定大型缺陷的面积或指示长度比常规探头精确。用聚焦探头探测粗晶材料也有了较大的进展。聚焦探头的分类：1、液浸聚焦：如图3-18所示，它是利用平面波入射到C1C2的凸透镜(从入射方向看)上其折射波聚焦的原理制成的。当声透镜为球面镜时，获得点聚焦；当声透镜为柱面镜时，获得线聚焦。图3－18液浸聚焦2、接触聚焦：如图3－19所示，它与液浸聚焦不同的是：在声透镜前面加了一个透声楔块，并且要求声透镜中的声速C1大于透声楔块中的声速C2，C1＞C2。由图可知，它是利用平面波入射到C1＞C2的凸透镜上其折射波聚焦，该聚焦折射波再入射到C2＞C3的平界面上其折射波在工件内进一步聚焦。图3－19接触聚焦以水浸聚焦为例1、聚焦声束轴线上的声压分布设聚焦声源的半径为R，在声程xR,焦距FR的条件下，聚焦声束轴线上的声压近似表达式为：••式中：P0—声源的初始声压；•F—焦距，F=C1r/(C1—C2),其中r为声透镜的曲率半径，C1为声透镜中的声速，C2为水中的声速；•X—测量点至声源的距离；•B—与焦点尖锐度有关的参数，B=R2/λF=N/F,R为晶片半径，B的数值愈大，聚焦声束愈尖锐。)1/()]1(2sin[20FXFXBPP3.3.2聚焦声场的特点与应用•在焦点处：X=F,上式可简化为：P=πBP0，由此可知：焦点处的声压随B的增大而增大，当B=10时，P=31.4P0,可见焦点处声压很高。•由聚焦声束轴线上声压近似表达式可得下图声压的分布情况。•∵B=N/F,焦距F愈短，B值愈大，聚焦效果愈好。当焦距F大于或等于近场长度N,B≦1,这时几乎没有聚焦作用。因此焦距应选在近场长度以内。图3－20聚焦声束轴线上的声压分布•焦柱的几何尺寸焦点在几何上是点或线，但物理上不可能，几何声学忽略了声波的波动性，焦点附近声波存在复杂的波动场，声透镜也有一定的球差，因此焦点只能是一个聚焦区，该聚焦区呈柱形，其焦柱直径与长度可用公式近似表达如下：•焦柱直径d≈λF/2R•焦柱长度L≈λF2/R•焦柱长径比L/d≈2F/R•式中：d—焦柱直径，以焦点处最大声压降6dB测定；L—焦柱长度，以焦点处最大声压降6dB测定。•λ—波长；F—焦距；R—声源曲率半径。•由上可知，R一定时焦柱直径和长度随λ、F增大而增大。当晶片和焦距固定时，L/D为一常数。3、聚焦探头的应用体钢探伤、缺陷面积或指示长度的测定和裂纹高度的测定等方面得到较好的应用。乱反射显著，容易产生草状回波，信噪比低，缺陷判别困难大。采用聚焦探头探伤，由于声束细，产生散乱反射的几率小，因此信噪比高，灵敏度高．有利于缺陷的检出。实验证明，使用聚焦探头利用多重分贝法(如6dB，12dB等)来测定缺陷面积或指示长度要比常规探头精确得多。因为聚焦探头声束收敛。回波法来测定裂纹的高度，获得较好的效果，精度明显提高。探测效率低。另外，探头的通用性差，每只探头仅适用于探测某一深度范围内的缺陷。