超声波发射声场与规则反射体分回波声压

第三章超声波发射声场与规则反射体的分回波声压•主要内容：–纵波发射声场–横波发射声场–规则反射体的回波声压–AVG曲线超声波探头（波源）发射的超声场具有特殊的结构。只有当缺陷位于超声场内时，才有可能被发现。由于液体介质中的声压可以进行线性叠加，并且测试比较方便。因此对声场的理论分析研究常常从液体介质入手，然后在一定条件下过渡到固体介质。3.1纵波声场一、圆盘波源辐射的纵波声场1.波源轴线上声压分布xQXYZoxFPsP0P－波源轴线上任意一点声压；P0－波源的起始声压；FS－波源面积；Rs–波源半径λ－波长；x－轴线上Q点至波源的距离。圆盘源轴线上的声压与距离成反比，与波源面积成正比。23sRx近场区：波源附近由于波的干涉而出现一系列声压极大极小值的区域，称为超声场的近场区。近场区声压分布不均匀,容易引起误判，甚至漏检，所以，应尽量避免近场区检测。波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度,用N表示.P/P0N3N6N0.5NX近场区长度与波源面积成正比，与波长成反比。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，应尽可能避免在近场区检测。cfFFRDDNSssss222244•远场区–波源轴线上至波源的距离大于N的区域称为远场区。–远场区轴线上的声压随距离增加单调减小；–当x3N时，声压与距离成反比，近似球面波的规律。这是因为距离足够大时，波源各点至轴线上某一点的波程差很小，引起的相位差也很小，这样干涉现象可略去不计。所以远场区轴线上不会出现声压极大极小值。超声场横截面的声压分布：在xN的近场区，中心轴线上的声压不一定最大；在xN的远场区，轴线上的声压最高，偏离中心声压逐渐降低，而且，分布完全对称。实际检测中，横波斜探头K值和探头声束轴线的偏离的测定，规定要在2N以外进行就是这个原因。N/2N3N6N•波束指向性和半扩散角至波源充分远处任意一点的声压，如图所示xP(r,θ)XYZoP(r,0))θ•波束指向性)θ0Y3.83•指向性系数：DC波源前充分远处任意一点的声压P(r,θ)与波源轴线上同距离处声压P(r,0)之比。)0,(),(rPrPDc)0,(),(rPrPDc1、DC≤1说明超声场中至波源充分远处同一横截面上各点的声压不同，以轴线上的声压最高。实际探伤中，只有当声束轴线垂直于缺陷时，缺陷回波最高就是这个原因。2、半扩散角θ0－园盘源辐射的纵波声场的第一零值发散角。3、当θθ0时，|DC|0.15,说明半扩散角以外的声压很低，超声波的能量主要集中在半扩散角以内。2θ0以内的波束称为主波束（或主声束），只有当缺陷位于主波束范围时，才容易被发现。以确定的扩散角向固定的方向辐射超声波的特性称为声束指向性。SSDD/70/22.1arcsin04、由θ0≈70λ/DS可知，增加探头直径DS，提高探伤频率f,半扩散角θ0将减小，即可以改善声束的指向性，使超声波的能量更加集中，有利于提高探伤灵敏度。但由可知，增加探头直径DS和提高探伤频率f,近场区长度增加，对探伤不利。因此，在实际探伤中，要综合考虑DS和f对θ0及N的影响，合理选择DS和f。一般是在保证探伤灵敏度的前提下尽可能减小近场区长度。4/2SDN波束未扩散区与扩散区超声波波源辐射的超声波是以特定的角度向外扩散出去的，但并不是从波源开始扩散的，而是在波源附近存在一个未扩散区，b=1.64N，在未扩散区b内，波束不扩散，不存在扩散衰减，各截面声压基本相同。因此，薄板试块前几次底波相差无几。到波源的距离xb的区域称为扩散区，扩散区内波束扩散，存在扩散衰减。例题:计算2.5P20纵波直探头探测钢工件时的近场区长度N、半扩散角θ0和未扩散区长度b。解：由题意f=2.5MHz,Ds=20mm,CL=5900m/s且λ=CL/f近场区长度：半扩散角：°未扩散区长度：)(4.421059004105.2204436222mmcfDDNLss26.8105.220105900707070630fDCDsLs)(5.694.4264.164.1mmNb例题:计算2.5MHz，φ20纵波直探头（2.5P20）探测钢工件时的近场区长度N、半扩散角θ0和未扩散区长度b。二、矩形波源辐射的纵波声场yxQz2a2br)θ)φ0•矩形波源作活塞振动时，在液体介质中辐射的纵波声场同样存在近场区和未扩散角等。与圆盘波源辐射的纵波声场基本类似。•设矩形波源的长边为2a，宽边为2b。因为超声波检测主要在远场区，主要考虑在3N以外矩形波源与圆盘波源的相同处与不同处。波束轴线上的声压:r≥3N时，式中：Fs—矩形波源的面积，F=4ab矩形波源的近场区的长度：矩形波源辐射的主声束为四棱锥形，如下图所示rFPPs/0sFNX方向的半扩散角为：Y方向的半扩散角为：矩形波源辐射的纵波声场与圆盘波源辐射的声场不同，矩形波源有两个半扩散角，其声场横截面为矩形。aa2572arcsin00aa2572arcsin00bb2572arcsin00三、纵波声场近场区在两种介质中的分布公式只适用均匀介质。实际检测中，有时近场区分布在两种不同的介质中，如图所示的水浸检测，超声波是先进入水，然后再进入钢中。4/2sDN当水层厚度较小时，近场区就会分布在水、钢两种介质中，设水层厚度为，则钢中剩余近场区长度为•式中N2—只有介质Ⅱ时，钢中近场长度；•C1—介质Ⅰ水中波速；•C2—介质Ⅱ钢中波速；•λ2—介质Ⅱ钢中波长。21222124ccLDccLNNs例：用2.5MHz，直径14mm纵波直探头水浸探伤钢板，已知水层厚度为20mm，钢中纵波声速5900m/s，水中纵波声速1480m/s，求钢中近场区长度N。解：钢中纵波波长（mm）钢中近场区长度：（mm）36.25.29.52fC7.15590014802036.24141442122ccLDNs四、实际声场与理想声场以上讨论的是液体介质，波源作活塞振动，辐射连续波等理想条件下的声场，简称理想声场。实际检测往往是固体介质，波源非均匀激发，辐射脉冲波声场，简称实际声场。它与理想声场是不完全相同的。•由图可知，实际声场与理想声场在远场区轴线上声压分布基本一致。这是因为，当至波源的距离足够远时，波源各点至轴线上某点的波程明显减少，从而使波的干涉大大减弱，甚至不产生干涉。•但在近场区内，实际声场与理想声场存在明显区别。理想声场轴线上声压存在一系列极大极小值，且极大值为2P0，极小值为零。实际声场轴线上声压虽然也存在极大极小值，但波动幅度小，极大值远小于2P0。极小值也远大于零，同时极值点的数量明显减少。这可从以下几方面来分析其原因。•（1）近场区出现声压极值点是由于波的干涉造成的。理想声场是连续波，波源各点辐射的声波在声场中某点产生完全干涉。实际声场是脉冲波，脉冲波持续时间很短，波源各点辐射的声波在声场中某点产生不完全干涉或不产生干涉。从而使实际声场近场区轴线上声压变化幅度小于理想声场，极值点减少。•（2）实际声场的波源是非均匀激发，波源中心振幅大，边缘振幅小。由于波源边缘引起的波程差较大，对干涉影响也较大。因此这种非均匀激发的实际波源产生的干涉要小于均匀激发的理想波源。（3）理想声场是针对液体介质而言的，而实际检测对象往往是固体介质。在液体介质中，液体内某点的压强在各个方向上的大小是相同的。波源各点在液体中某点引起的声压可视为同方向而进行线形叠加。在固体介质中，波源某点在固体中某点引起的声压方向在二者连线上。对于波源轴线上的点，由于对称性，使垂直于轴线方向的声压分量互相抵消，使轴线方向的声压分量互相叠加。显然这种叠加干涉要小于液体介质中的叠加干涉，这也是实际声场近场区轴线上声压分布较均匀的一个原因。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=02＜N极值点少极值点多极大值＜2P0；极小值＞0Pmax=2P0；Pmin=0波动幅度小波动幅度大3＞N轴线上声压单调减小4＞3N轴线上的声压P=P0F/λX扩散角：θ0=sin-11.22λ/D指向性：实际声场的波束指向性比理想声场波束指向性更好，波束更集中近场长度：N=D2/4λ未扩散区：b=1.64N3.2横波发射声场一、假想横波波源目前常用的横波探头，是使纵波倾斜入射到界面上，通过波型转换来实现横波检测的。当αL=αⅠ～αⅡ时，纵波全反射，第二介质中只有折射横波。横波探头辐射的声场由第一介质中的纵波声场与第二介质中的横波声场两部分组成，两部分声场是折断的，如下图所示，为了便于理解计算，特将第一介质中的纵波波源转换为轴线与第二介质中横波波束轴线重合的假想横波波源，这时整个声场可视为由假想横波波源辐射出来的连续的横波声场。当实际波源为圆形时，其假想横波波源为椭圆形，椭圆的长轴等于实际波源的直径，短轴为:式中α—纵波折射角；β—横波入射角。coscosssDD二、横波声场的结构1.横波轴线上的声压横波声场同纵波声场一样，由于波的干涉存在近场区和远场区。当x≥3N时，横波声场波束轴线上的声压为式中K—系数；FS—波源的面积；λS2—第二介质中横波波长；x—轴线上某点至假想波源的距离。由以上公式可知，横波声场中，当x≥3N时，波束轴线上的声压与波源面积成正比，与至假想波源的距离成反比，类似纵波声场。coscos2xKFPsS2.近场区长度横波声场近场区长度为式中N—近场区长度，由假想波源算起由以上公式可知，横波声场的近场区长度和纵波声场一样，与波长成反比，与波源面积成正比。coscos2sSFN横波声场中，第二介质中的近场区长度为式中FS—波源的面积；λS2—第二介质中横波波长；L1—入射点至波源的距离；L2—入射点至假想波源的距离。tantancoscos122'LFLNNsS我国横波探头常采用K值（K=tanβ）来表示横波折射角的大小，常用值为1.0、1.5、2.0和2.5等。为了便于计算近场区长度，在第Ⅰ介质为有机玻璃;第二介质为钢Ⅱ的探头,特将K与cosβ/cosα、tanα/tanβ的关系列于表2.2。k值1.01.52.02.5Cosβ/cosα0.880.780.680.6tanα/tanβ0.750.660.580.5例1，试计算2.5MHZ、14×16方晶片K1.0(2.5P14×16K1)和K2.0(2.5P14×16K2)横波探头的近场区长度。（钢中CS2=3230m/s）解：由上式计算表明，横波探头晶片尺寸一定，K值增大，近场区长度将减小。)(29.1105.21032306322mmfCss)(7.4888.029.114.31614coscos)(12111mmabKNs)(7.3768.029.114.31614coscos)(22222mmabKNs例2，试计算2.5MHZ、10×12mm方晶片K2.0横波探头，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区长度。（钢中CS2=3230m/s）解：tantancoscos12LabNs58.01268.029.114.31210mm13)(29.1105.21032306322mmfCss半扩散角从假想横波声源辐射的横波声束同纵波声场一样，具有良好的指向性，可以在被检材料中定向辐射，只是声束的对称性与纵波声场有所不同，如下图所示。（1）纵波斜入射在第二介质中产生横波声场，其声束不再对称于声束轴线，而存在两个半扩散角，其中上半扩散角θ上大于声束下半扩散角θ下（2）横波