第3章-超声波发射声场与反射体的回波声压00

1第3章超声波发射声场与反射体的回波声压主讲教师：王秋萍Xi'anPolytechnicUniversity23.1纵波发射声场3.2横波发射声场3.3规则反射体的回波声压3.4AVG曲线Xi'anPolytechnicUniversity主要内容3圆盘波源辐射的纵波声场矩形波源辐射的纵波声场纵波声场近场区在两种介质中的分布3.1纵波发射声场Xi'anPolytechnicUniversity4活塞声源：理想的圆盘声源是指圆形平面的声振动源，当它沿平面法线方向振动时，其面上各点的振动速度的幅值和相位都是相同的，这样的声源称为活塞声源，发射的波为活塞波。一.圆盘波源辐射的纵波声场Xi'anPolytechnicUniversity声源（圆形压电晶片）→纵波→在无粘滞性的水中传播。51.波源轴线上的声压分布面元dS辐射的球面波在波源轴线上Q点引起的声压为：krtrSPPsindd0圆盘波源上各面元在轴线上任一点Q引起的声压为：kxtxxRPPPSsinsin2d220Xi'anPolytechnicUniversity6(1)波源轴线上Q点声压幅值为：S02S02202sin22sin2sin2RxPxRPxxRPPXi'anPolytechnicUniversity上式表明，圆盘轴线上的声压与距离成反比，与波源面积成正比。xFPxRPPRxS02S02Ssin36，则有：时，，即当波源轴线上的声压随距离变化关系图7S2S2S4FDRN(2)近场区(菲涅尔区)：波源附件由于波的干涉而出现的一系列声压极大极小的区域。Xi'anPolytechnicUniversity近场区长度：波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离，用N表示。(3)远场区：波源轴线上的至波源的距离xN的区域。远场区轴线上的声压随距离的增加单调减少，当x3N时，声压距离成反比。在近场区检测定量是不利的，处于声压极小值处的较大缺陷回波可能较低，而处于声压极大值处的较小缺陷回波可能较高，这样就容易引起误判，甚至漏检，因此应尽可能避免近场区检测定量。8近场区长度的推导过程：Xi'anPolytechnicUniversity大值。值对应最后一个声压极时的，xnnnDx012412222SLSS2S2S4:cfFFRDN所以近场长度时声压有极大值。当1212sinsin22nxxR结论：近场区长度与波长成反比（与频率成正比），与声源面积成正比。9Xi'anPolytechnicUniversity圆形晶片辐射声场近场区长度与声源尺寸的关系102.超声场横截面声压分布在当xN的近场区内，存在中心轴线上声压为0的截面，如x=0.5N的截面，中心声压为0，偏离中心声压较高。在x≥N的远场区内，轴线上的声压最高，偏离中心声压逐渐降低，且同一横截面上的声压的分布是完全对称的。Xi'anPolytechnicUniversity11圆盘源声压沿轴线和横截面分布图在x≥N的远场区内，轴线上的声压最高，偏离中心声压逐渐降低，且同一横截面上的声压的分布是完全对称的。Xi'anPolytechnicUniversity123.波束指向性与半扩散角sinsin2SS1S0kRkRJrFPP(1)波源轴线外任一点的声压为Xi'anPolytechnicUniversity结论：圆形声源辐射的声场中，轴线外任一点的声压与声源面积成正比，与距离r成反比，同时还方向θ而变。相同距离不同方向的位置上，声压是不均匀的。当θ=0º时，声场的声压最大。13Xi'anPolytechnicUniversitysinsin20,,SS1kRkRJrPrPD(2)波束指向性与半扩散角波源充分远处任意点的声压P(r,θ)与波源轴线上同距离处声压P(r,0)之比，称为指向性系数，用D(θ)表示。14SS07022.1arcsin83.3siny0),(17.1007.783.3(2)DDkRrP...y值发散角：得半扩散角，即第一零由。时，，，当(1)D(θ)≤1。(4)在超声波主波束之外存在一些副瓣，能量很小。结论：Xi'anPolytechnicUniversity(3)当y3.83，即θθ0时，。15.0D说明超声能量主要集中在半扩散角内。15Xi'anPolytechnicUniversity上图表明：晶片尺寸越大，指向性越好。164.波束未扩散区与扩散区NDbS64.144.22未扩散长度：得由22SSS0)2/(2/22.1sinbDDDXi'anPolytechnicUniversity17例题：若用f=2.5MHz，D=20mm的直探头检测钢工件(声速cL=5900m/s)，那么近场长度N，半扩散角θ0和未扩散区长度b分别是多少？解：mm4.421059004105.22044362L2S2ScfDDN26.8105.22010590070707063SLS0fDcDmm5.694.4264.164.1NbXi'anPolytechnicUniversity18二.矩形波源辐射的纵波声场1.波源轴线外的声压分布sinsinsincossincossinsin,,0kbkbkakarFPrPSXi'anPolytechnicUniversity19sinsinsincossincossinsin,,0kbkbkakarFPrPS2.指向性与半扩散角sinsinsin,0,0(2)0kbkbrFPrPS时，当yykbkbrPrPDrsinsinsinsin0,0,,0,YOZ令平面内指向性系数：则在rFPrPS00,0,0(1)时，当Xi'anPolytechnicUniversity203.近场区长度SFNbbDkbyr2572arcsinYOZ014.3sin000：平面内半扩散角在由此得。时，当aa2572arcsinXOZ00：平面内半扩散角同理，在Xi'anPolytechnicUniversity截面为矩形。其声场横其主声束为四棱锥形，半扩散角，矩形波源有两个不同的21正方形晶片辐射声场近场区长度与声源尺寸的关系Xi'anPolytechnicUniversity左图表明：矩形晶片尺寸越大，近场长度越大，越不利于检测。22Xi'anPolytechnicUniversity矩形晶片辐射声场的数值计算结果上图表明：晶片尺寸越大，指向性越好。23矩形晶片（两平面）辐射声场声压分布（数值模拟）Xi'anPolytechnicUniversity2421122114ccLDccLNNS'基于水中：212222124DccLccLNN'基于钢中：三、纵波声场近场区在两种介质中的分布Xi'anPolytechnicUniversity25例题：用f=2.5MHz，Ds=14mm的纵波直探头水浸法检测钢板。已知水层厚度为20mm，水中声速为c1=1480m/s，c2=5900m/s，求钢中近场长度。mm15.7590014802026.44144-mm36.25.29.52212221222ccLDccLNNfcS'长基于钢中：钢中纵波波mm15.759201480200.5924144mm592.05.248.12212211111ccLDccLNNfcS'长基于水中：水中纵波波Xi'anPolytechnicUniversity26四.实际声场与理想声场的比较Xi'anPolytechnicUniversity27序号实际声场理想声场1差异固体介质，声压不能线性叠加液体介质，声压可进行线性叠加脉冲波非均匀激发连续波均匀激发不完全干涉或不干涉完全干涉，干涉大频率不是单一的频率单一衰减系数α≠0衰减系数α=02N极大值Pmax2P0；极小值Pmin0极大值Pmax=2P0；极小值Pmin=0波动幅度小波动幅度大3N轴线上声压单调递减43N轴线上声压：Px=P0FS/λx扩散角：θ0=sin-1(1.22λ/D)实际声场的波束比理想声场波束指向性更好，波束更集中。近场区长度：N=D2/4λ；未扩散区：b=1.64NXi'anPolytechnicUniversity28假想横波波源横波声场的结构3.2横波发射声场Xi'anPolytechnicUniversity29一.假想横波波源Xi'anPolytechnicUniversitycoscosSSDD'假想的横波声源302.近场区长度2SScos()cosSFN由假想的波源算起第二介质中近场区长度1S2'S2ScostancostanFNNLL二.横波声场的结构SS2cos3coskFPxNx1.波束轴线上的声压Xi'anPolytechnicUniversity31[例1]试计算2.5MHz、14mm×16mm方晶片K1.0和K2.0横波探头的近场长度N（钢中横波声速为cS=3230m/s）。3S2S263230101.29mm2.510cfS2cos14161.00.8848.7mmcos3.141.29abNKS2cos14162.00.6837.7mmcos3.141.29abNK解：Xi'anPolytechnicUniversity32[例2]有一2.5MHz、10mm×12mm方晶片K2.0横波探头，其有机玻璃中入射点至晶片的距离为12mm，求此探头在钢中的近场长度N'（钢中横波声速为cS=3230m/s）3S2S263230101.29mm2.510cf'1S2costancostan10120.68120.5813mm3.141.29abNL解：Xi'anPolytechnicUniversity33下上下上，12-(1)纵波斜入射3.半扩散角12sin,sinabab2L1Ssin11.22aDS2L1SL11.22coscbDcXi'anPolytechnicUniversity34(2)横波垂直入射SSDDS2S207022.1arcsin圆形形声源：aa2572arcsinS2S20正方形形声源：注意：在条件相同的条件下，横波声束的指向性比纵波好，横波能量更集中一些。Xi'anPolytechnicUniversity35平底孔回波声压圆柱形反射体球孔回波声压大平底回波声压圆柱面回波声压3.4规则反射体的回波声压Xi'anPolytechnicUniversity36当量法：是指在同样的检测条件下，当自然缺陷回波与某人工规则反射体回波等高时，则该人工反射体的尺寸就是此自然缺陷的当量尺寸。反射法：根据缺陷反射回波声压的高低来评价缺陷的大小。Xi'anPolytechnicUniversity37一.平底孔回波声压NxxFFPxFPPffxf322S012212112lg40lg20xDxDPPffff射。超声波在平底孔上全反孔，，波束轴线垂直于平底条件：Nx3Xi'anPolytechnicUniversity3