第三章超聲波發(fā)射聲場與規(guī)則反射體分回波聲壓

1、 主要內容： 縱波發(fā)射聲場 橫波發(fā)射聲場 規(guī)則反射體的回波聲壓 AVG曲線 超聲波探頭（波源）發(fā)射的超聲場具有特殊的結構。只有當缺陷位于超聲場內時，才有可能被發(fā)現(xiàn)。 由于液體介質中的聲壓可以進行線性疊加，并且測試比較方便。因此對聲場的理論分析研究常常從液體介質入手，然后在一定條件下過渡到固體介質。一、圓盤波源輻射的縱波聲場1.波源軸線上聲壓分布xQXYZoxFPsP0P 波源軸線上任意一點聲壓；P0 波源的起始聲壓；FS 波源面積；Rs 波源半徑 波長；x 軸線上Q點至波源的距離。圓盤源軸線上的聲壓與距離成反比，與波源面積成正比。23sRx 近場區(qū)：波源附近由于波的干涉而出現(xiàn)一系列聲壓極大極小

2、值的區(qū)域，稱為超聲場的近場區(qū)。近場區(qū)聲壓分布不均勻,容易引起誤判，甚至漏檢，所以，應盡量避免近場區(qū)檢測。 波源軸線上最后一個聲壓極大值至波源的距離稱為近場區(qū)長度,用N表示.P/P0N3N6N0.5NX 近場區(qū)長度與波源面積成正比，與波長成反比。 在近場區(qū)檢測定量是不利的，處于聲壓極小值處的較大缺陷回波可能較低，而處于聲壓極大值處的較小缺陷回波可能較高，這樣就容易引起誤判，甚至漏檢， 應盡可能避免在近場區(qū)檢測。cfFFRDDNSssss222244 遠場區(qū) 波源軸線上至波源的距離大于N的區(qū)域稱為遠場區(qū)。 遠場區(qū)軸線上的聲壓隨距離增加單調減??； 當x3N時，聲壓與距離成反比，近似球面波的規(guī)律。這是

3、因為距離足夠大時，波源各點至軸線上某一點的波程差很小，引起的相位差也很小，這樣干涉現(xiàn)象可略去不計。所以遠場區(qū)軸線上不會出現(xiàn)聲壓極大極小值。 超聲場橫截面的聲壓分布： 在xN的遠場區(qū)，軸線上的聲壓最高，偏離中心聲壓逐漸降低，而且，分布完全對稱。 實際檢測中，橫波斜探頭K值和探頭聲束軸線的偏離的測定，規(guī)定要在2N以外進行就是這個原因。N/2N3N6N 波束指向性和半擴散角 至波源充分遠處任意一點的聲壓，如圖所示xP(r,)XYZoP(r,0) 波束指向性)0Y3.83 指向性系數(shù)：DC 波源前充分遠處任意一點的聲壓P(r,)與波源軸線上同距離處聲壓P(r,0)之比。)0 ,(),(rPrPDc)0

4、 ,(),(rPrPDc1、DC1 說明超聲場中至波源充分遠處同一橫截面上各點的聲壓不同，以軸線上的聲壓最高。實際探傷中，只有當聲束軸線垂直于缺陷時，缺陷回波最高就是這個原因。2、半擴散角半擴散角0 0 園盤源輻射的縱波聲場的第一零值發(fā)散角。 3、當0時，|DC|b的區(qū)域稱為擴散區(qū)，擴散區(qū)內波束擴散，存在擴散衰減。例題: 計算2.5P20縱波直探頭探測鋼工件時的近場區(qū)長度N、半擴散角0和未擴散區(qū)長度b。解：由題意f=2.5MHz,Ds=20mm,CL=5900m/s 且 =CL/f 近場區(qū)長度： 半擴散角： 未擴散區(qū)長度：)(4 .421059004105 . 2204436222mmcfDD

5、NLss26. 8105 . 220105900707070630fDCDsLs)( 5 .694 .4264. 164. 1mmNb例題: 計算2.5MHz，20縱波直探頭（2.5P20）探測鋼工件時的近場區(qū)長度N、半擴散角0和未擴散區(qū)長度b。yxQz2a2br)0 矩形波源作活塞振動時，在液體介質中輻射的縱波聲場同樣存在近場區(qū)和未擴散角等。與圓盤波源輻射的縱波聲場基本類似。 設矩形波源的長邊為2a，寬邊為2b。因為超聲波檢測主要在遠場區(qū)，主要考慮在3N以外矩形波源與圓盤波源的相同處與不同處。波束軸線上的聲壓: r3N時，式中： Fs 矩形波源的面積，F(xiàn)=4ab 矩形波源的近場區(qū)的長度：矩形

6、波源輻射的主聲束為四棱錐形，如下圖所示 rFPPs/0sFN X方向的半擴散角為： Y方向的半擴散角為： 矩形波源輻射的縱波聲場與圓盤波源輻射的聲場不同，矩形波源有兩個半擴散角，其聲場橫截面為矩形。 aa2572arcsin00aa2572arcsin00bb2572arcsin00 公式 只適用均勻介質。實際檢測中，有時近場區(qū)分布在兩種不同的介質中，如圖所示的水浸檢測，超聲波是先進入水，然后再進入鋼中。4/2sDN 當水層厚度較小時，近場區(qū)就會分布在水、鋼兩種介質中，設水層厚度為，則鋼中剩余近場區(qū)長度為 式中 N2 只有介質時，鋼中近場長度； C1介質水中波速； C2介質鋼中波速； 2介質鋼

7、中波長。21222124ccLDccLNNs例：用2.5MHz，直徑14mm縱波直探頭水浸探傷鋼板，已知水層厚度為20mm，鋼中縱波聲速5900m/s，水中縱波聲速1480m/s，求鋼中近場區(qū)長度N。解： 鋼中縱波波長 （mm） 鋼中近場區(qū)長度： （mm）36. 25 . 29 . 52fC7 .15590014802036. 24141442122ccLDNs 以上討論的是液體介質，波源作活塞振動，輻射連續(xù)波等理想條件下的聲場，簡稱理想聲場。實際檢測往往是固體介質，波源非均勻激發(fā)，輻射脈沖波聲場，簡稱實際聲場。它與理想聲場是不完全相同的。 由圖可知，實際聲場與理想聲場在遠場區(qū)軸線上聲壓分布基

8、本一致。這是因為，當至波源的距離足夠遠時，波源各點至軸線上某點的波程明顯減少，從而使波的干涉大大減弱，甚至不產生干涉。 但在近場區(qū)內，實際聲場與理想聲場存在明顯區(qū)別。理想聲場軸線上聲壓存在一系列極大極小值，且極大值為2P0，極小值為零。實際聲場軸線上聲壓雖然也存在極大極小值，但波動幅度小，極大值遠小于2P0。極小值也遠大于零，同時極值點的數(shù)量明顯減少。這可從以下幾方面來分析其原因。 （1）近場區(qū)出現(xiàn)聲壓極值點是由于波的干涉造成的。理想聲場是連續(xù)波，波源各點輻射的聲波在聲場中某點產生完全干涉。實際聲場是脈沖波，脈沖波持續(xù)時間很短，波源各點輻射的聲波在聲場中某點產生不完全干涉或不產生干涉。從而使實

9、際聲場近場區(qū)軸線上聲壓變化幅度小于理想聲場，極值點減少。 （2）實際聲場的波源是非均勻激發(fā)，波源中心振幅大，邊緣振幅小。由于波源邊緣引起的波程差較大，對干涉影響也較大。因此這種非均勻激發(fā)的實際波源產生的干涉要小于均勻激發(fā)的理想波源。（3）理想聲場是針對液體介質而言的，而實際檢測對象往往是固體介質。在液體介質中，液體內某點的壓強在各個方向上的大小是相同的。波源各點在液體中某點引起的聲壓可視為同方向而進行線形疊加。在固體介質中，波源某點在固體中某點引起的聲壓方向在二者連線上。對于波源軸線上的點，由于對稱性，使垂直于軸線方向的聲壓分量互相抵消，使軸線方向的聲壓分量互相疊加。顯然這種疊加干涉要小于液體

10、介質中的疊加干涉，這也是實際聲場近場區(qū)軸線上聲壓分布較均勻的一個原因。序序號號實實 際際 聲聲 場場理理 想想 聲聲 場場1 1差差異異固體介質固體介質 聲壓不能線性疊加聲壓不能線性疊加液體介質液體介質 聲壓可進行線性疊加聲壓可進行線性疊加脈沖波非均勻激發(fā)脈沖波非均勻激發(fā)連續(xù)波均勻激發(fā)連續(xù)波均勻激發(fā)不完全干涉或不干涉不完全干涉或不干涉完全干涉、干涉大完全干涉、干涉大頻率不是單一的頻率不是單一的頻率單一頻率單一衰減系數(shù)衰減系數(shù)00衰減系數(shù)衰減系數(shù)=0=02 2N N極值點少極值點少極值點多極值點多極大值極大值2P2P0 0；極小值；極小值0 0P Pmaxmax=2P=2P0 0；Pminmin

11、=0=0波動幅度小波動幅度小波動幅度大波動幅度大3 3N N軸線上聲壓單調減小軸線上聲壓單調減小 4 43N3N軸線上的聲壓軸線上的聲壓 P=PP=P0 0F/X F/X 擴散角：擴散角： 0=sin=sin-1-11.22/D 1.22/D 指向性：實際聲場的波束指向性比理想聲場波束指向性更好，波指向性：實際聲場的波束指向性比理想聲場波束指向性更好，波束更集中束更集中近場長度：近場長度：N=DN=D2 2/4 /4 未擴散區(qū)：未擴散區(qū)：b=1.64N b=1.64N 一、假想橫波波源橫波波源 目前常用的橫波探頭，是使縱波傾斜入射到界面上，通過波型轉換來實現(xiàn)橫波檢測的。當L=時，縱波全反射，第

12、二介質中只有折射橫波。 橫波探頭輻射的聲場由第一介質中的縱波聲場與第二介質中的橫波聲場兩部分組成，兩部分聲場是折斷的，如下圖所示，為了便于理解計算，特將第一介質中的縱波波源轉換為軸線與第二介質中橫波波束軸線重合的假想橫波波源，這時整個聲場可視為由假想橫波波源輻射出來的連續(xù)的橫波聲場。 當實際波源為圓形時，其假想橫波波源為橢圓形，橢圓的長軸等于實際波源的直徑，短軸為: 式中 縱波折射角； 橫波入射角。coscosssDD二、橫波聲場的結構二、橫波聲場的結構 1.橫波軸線上的聲壓 橫波聲場同縱波聲場一樣，由于波的干涉存在近場區(qū)和遠場區(qū)。當x3N時，橫波聲場波束軸線上的聲壓為 式中 K 系數(shù)； FS

13、 波源的面積； S2 第二介質中橫波波長； x 軸線上某點至假想波源的距離。 由以上公式可知，橫波聲場中，當x3N時，波束軸線上的聲壓與波源面積成正比，與至假想波源的距離成反比，類似縱波聲場。coscos2xKFPsS2.近場區(qū)長度 橫波聲場近場區(qū)長度為 式中 N近場區(qū)長度，由假想波源算起 由以上公式可知，橫波聲場的近場區(qū)長度和縱波聲場一樣，與波長成反比，與波源面積成正比。coscos2sSFN 橫波聲場中，第二介質中的近場區(qū)長度為 式中 FS波源的面積； S2第二介質中橫波波長； L1入射點至波源的距離； L2 入射點至假想波源的距離。tantancoscos122LFLNNsS 我國橫波探

14、頭常采用K值（K=tan）來表示橫波折射角的大小，常用值為1.0、1.5、2.0和2.5等。為了便于計算近場區(qū)長度，在第介質為有機玻璃;第二介質為鋼的探頭,特將K與cos/cos 、tan/tan的關系列于表2.2。k值1.01.52.02.5 Cos/ cos0.880.780.680.6 tan/tan0.750.660.580.5例1，試計算2.5MHZ、1416方晶片K1.0(2.5P1416K1)和K2.0(2.5P1416K2)橫波探頭的近場區(qū)長度。（鋼中CS2=3230m/s）解： 由上式計算表明，橫波探頭晶片尺寸一定，K值增大，近場區(qū)長度將減小。)(29. 1105 . 210

15、32306322mmfCss)(7 .4888. 029. 114. 31614coscos)(12111mmabKNs)(7 .3768. 029. 114. 31614coscos)(22222mmabKNs例2，試計算2.5MHZ、1012mm方晶片K2.0橫波探頭，有機玻璃中入射點至晶片的距離為12mm，求此探頭在鋼中的近場區(qū)長度。（鋼中CS2=3230m/s）解： tantancoscos12LabNs58. 01268. 029. 114. 31210mm13)(29. 1105 . 21032306322mmfCss半擴散角 從假想橫波聲源輻射的橫波聲束同縱波聲場一樣，具有良好的

16、指向性，可以在被檢材料中定向輻射，只是聲束的對稱性與縱波聲場有所不同，如下圖所示。（1）縱波斜入射在第二介質中產生橫波聲場，其聲束不再對稱于聲束軸線，而存在兩個半擴散角，其中上半擴散角上大于聲束下半擴散角下（2）橫波垂直入射時，其聲束對稱于軸線，這時半擴散角可按下式計算。 對于圓片形聲源： 對于矩形正方形聲源： 由公式可以看出，在其他條件相同時，橫波聲束的指向性比縱波好，橫波能量更集中一些。因為橫波波長比縱波短。SSSSDD2207022. 1arcsinaaSS2572arcsin220 前面討論的是超聲波發(fā)射聲場中的聲壓分布情況，實際檢測中常用反射法。反射法是根據缺陷反射波聲壓的高低來評價

17、缺陷的大小。然而工件中的缺陷形狀性質各不相同，目前的檢測技術還難以確定缺陷的真實大小和形狀。反射波聲壓相同的缺陷的實際大小可能相差很大，為此特引用當量法。當量法是指在同樣的檢測條件下，當自然缺陷反射波與某人工規(guī)則反射體回波等高時，則該人工規(guī)則反射體的尺寸就是此自然缺陷的當量尺寸。自然缺陷的實際尺寸往往大于當量尺寸。一、規(guī)則反射體的反射波聲壓公式一、規(guī)則反射體的反射波聲壓公式 超聲波檢測中常用的規(guī)則反射體有平底孔、長橫孔、短橫孔、球孔和大平底面等，下面分別討論以上各種規(guī)則反射體的回波聲壓。1.平底孔回波聲壓平底孔回波聲壓 在X3N的圓盤波源軸線上存在一平底孔缺陷，設波束軸線垂直于平底孔，超聲波在

18、平底孔上全反射，平底孔直徑較小，表面各點聲壓近似相等。 根據惠更斯原理可以把平底孔當作一個新的圓盤源，其起始聲壓就是入射波在平底孔處的聲壓 xFPPxS0 平底孔反射波聲壓 式中 P0波源的起始聲壓； FS波源的面積， Ff 平底孔缺陷的面積； 波長 x平底孔至波源的距離 由上式可知，當檢測條件（ FS ， ）一定時，平底孔缺陷的回波聲壓或波高與平底孔面積成正比，與距離平方成反比。 220 xFFPxFPPfSfxf任意兩個距離直徑不同的平底孔反射波聲壓之比為：二者回波分貝差為： 當Df1=Df2，X2=2X1時 , 這說明平底孔直徑一定，距離增加一倍，其回波下降12db。2221212221

19、21ffffffDxDxPPHH1221211240lg20 xDxDPPffff)(122lg40)/lg(40)/lg(20212121dBxxPPff當X2=X1 ,Df1=2Df2，時 ,這說明平底孔距離一定，直徑增加一倍，其回波升高12db )(122lg40)/lg(40)/lg(20212112dBDDPPffff2.長橫孔回波聲壓長橫孔回波聲壓 當x3N，超聲波垂直入射， 全反射，長橫孔直徑較小，長度大于波束截面尺寸時，超聲波在長橫孔表面的反射就類似于球面波在柱面鏡上的反射。 長橫孔回波聲壓 式中 Df 長橫孔的直徑。 由上式可知，當探測條件（ FS ， ）一定時，長橫孔回波聲

20、壓與長橫孔的直徑平方根成正比，與距離的二分之三次方成反比。 xDxFPPfSf220任意兩個距離、直徑不同的長橫孔回波分貝差為： 當Df1=Df2，X2=2X1時 , 這說明:長橫孔直徑一定，距離增加一倍，其回波下降9db。312321211210lg20 xDxDPPffff)(92lg30)/lg(30)/lg(20212121dBxxPPff當X2=X1 ,Df1=2Df2，時 , 這說明：長橫孔距離一定，直徑增加一倍，其回波升高3 db)(32lg10)/lg(10)/lg(20212112dBDDPPffff短橫孔回波聲壓短橫孔回波聲壓 短橫孔是長度明顯小于波束截面尺寸的橫孔，設短橫

21、孔直徑為Df，長度為Lf。當X3N時，超聲波在短橫孔上的反射回波聲壓為： LfxDsDf 由上式可知，當探測條件（ FS ， ）一定時，短橫孔回波聲壓與短橫孔的長度成正比，與直徑的平方根成正比，與距離的平方成反比。ffSfDxlxFPP20 任意兩個距離、長度和直徑不同的短橫孔回波分貝差為： 當Df1=Df2，Lf1=Lf2,X2=2X1時 , 這說明短橫孔直徑和長度一定，距離增加一倍，其回波下降12db，與平底孔變化規(guī)律相同。21414222212112lg10lg20ffffffDDxxllPP)(122lg40)/lg(40)/lg(20122112dBxxPPff當X2=X1 ,Df1

22、=Df2，Lf1=2Lf2時 , 這說明短橫孔直徑和距離一定，長度增加一倍，其回波上升6db。（3）當X2=X1 ,Df1=2Df2，Lf1=Lf2時 , 這說明短橫孔長度和距離一定，直徑增加一倍，其回波升高3 db)(62lg20)/lg(20)/lg(20212112dBllPPffff)(32lg10)/lg(10)/lg(20212112dBDDPPffff大平底面回波聲壓大平底面回波聲壓 當X3N時，超聲波在與波束垂直、表面光潔的大平底面上的反射就是球面波在大平面上的反射，其回波聲壓為: 由上式可知，當檢測條件（ FS ， ） ）一定時，大平底面回波聲壓與距離成反比。 xFPPSB2

23、0兩個不同距離的大平底面回波分貝差為： 當X2=2X1 時這說明大平底面距離增加一倍，其回波下降6db。122112lg20lg20 xxPPBB)(62lg20)/lg(20)/lg(20122112dBxxPPBB 球孔回波聲壓 設球孔直徑為Df,超聲波垂直入射，全反射， Df足夠小。Dfx 當X3N時，超聲波在球孔上的反射就類似于球面波在球面上的反射，其回波聲壓為: 由上式可知，當探測條件（Fs，）一定時，球孔回波聲壓與距離的平方成反比，與球孔直徑成正比。 204 xDFPPfSf 任意兩個直徑、距離不同的球孔的回波分貝差為： （1）當Df1=Df2,x2=2x1時， 這說明球孔直徑一定

24、，距離增加一倍，其回波下降12 dB，與平底孔變化規(guī)律相同。2122212112lg20lg20 xDxDPPffffdBxxPPff12)/lg(40)/lg(20122112（2）當Df1=2Df2,x2=x1時， 這說明球孔距離不變，直徑增加一倍，其回波上升6 dBdBDDPPffff6)/lg(20)/lg(20212112實心圓柱體曲底面回波聲壓 這說明實心圓柱體反射波聲壓與大平底面回波聲壓相同?？招膱A柱體曲底面回波聲壓-外柱面徑向探傷 上式說明外圓檢測空心圓柱體，其回波聲壓低于同距離大平底面回波聲壓。因為凸柱面反射波發(fā)散。xFPBsP20DdxFPPSB20空心圓柱體曲底面回波聲壓

25、-內柱面徑向探傷 上式說明內孔檢測圓柱體，其回波聲壓大于同距離大平底回波聲壓。因為凹柱面反射波聚焦。 dDxFPPSB20 以上各種規(guī)則反射體的反射波聲壓公式均未考慮介質衰減，如果考慮介質衰減，則所有公式均應增加式中：x 反射體至探頭的距離，x 3N a 介質單程衰減系數(shù)，dB/mm68. 82axe AVG 曲線是描述規(guī)則反射體的距離A、反射波高度V及當量大小G之間關系的曲線。A、V、G是德文距離、增益和大小的字頭縮寫。英文縮寫為DGS。AVG曲線可用于對缺陷定量和靈敏度調整。 AVG曲線有多種類型，據通用性分為通用AVG和實用AVG；據波型不同分為縱波AVG和橫波AVG；據反射體不同分為平

26、底孔AVG和橫孔AVG等。 下面以縱波平底孔為例來說明AVG曲線的原理和繪制方法。一、縱波平底孔AVG曲線 1、通用AVG曲線適用于所有縱波探頭 當X3N，不考慮介質衰減時，大平底面與平底孔回波聲壓為 當儀器的垂直線性良好時，示波屏上波高與聲壓成正比。xFPPSB20220 xFFPPfSfxFPPHHSBB2002200 xFFPPHHfSff為了簡化計算，對上式進行歸一化處理。令 ， ，并代入上式得若用dB表示波高，則有 式中 A歸一化距離； G歸一化缺陷當量大??； V1底波與始波高dB差； V2平底孔回波與始波高dB差。SFxNxASfSfFFDDGAPPHHBB20022200AGPP

27、HHffAHHVB2/lg20)/lg(2001AGHHVf/lg40)/lg(2002 縱波平底孔通用AVG曲線 B1B2B3 在A3的區(qū)域內，由于理論公式不適用，因此該區(qū)域的曲線一般不繪出或由實測得到。 由平底孔缺陷通用AVG曲線可見，當A1時，由于波的干涉，使平底孔回波聲壓趨于復雜化，出現(xiàn)極大極小值。但對于大平底而言，其回波幾乎不隨距離變化，在這個區(qū)域內的入射波可視為平面波的一部分，平均聲壓為常數(shù)。 通用AVG曲線由于采用了歸一化距離和歸一化缺陷當量大小，因此通用性好，適用不同規(guī)格的探頭。 通用AVG曲線可以用來調整檢測靈敏度和對缺陷進行定量。 通用AVG曲線雖然通用性好，但使用中要進行

28、歸一化換算，不大方便，為此引入了適用于特定探頭的專用AVG曲線，常稱實用AVG曲線。 2、實用AVG曲線 以橫坐標表示實際聲程，縱坐標表示規(guī)則反射體相對波高，用來描述距離、波幅、當量大小之間的關系曲線，稱為實用AVG曲線，下圖為平底孔實用AVG曲線 實用AVG曲線可由以下公式得到。不同距離的大平底反射波dB差不同距離的不同大小平底孔反射波dB差同距離的大平底與平底孔反射波dB差1221lg20lg20 xxPPBB122121lg40lg20 xDxDPPffff22lg20lg20ffBDxPP 用以上公式計算繪制實用AVG曲線時，要統(tǒng)一靈敏度基準。例如上圖 是x=750mm，2平底孔為0dB。 實用AVG曲線中X3N部分，可由理論公式計算得到，還可由實測CS-試塊得到或由通用AVG曲線進行轉換得到，但x3N的區(qū)域只能通過實測得到。 例：晶片直徑D=20mm，頻率2.5MHZ縱波直探頭，利用公式繪制鋼中的實用AVG曲線。解：（1）首先要確定一個統(tǒng)一的靈敏度基準。 例如確定的基準為x=750mm時，2平底孔的回波高度為0dB (2) 計算不同距離處同一大小平底孔的回波dB差 根據 此時Df1=Df2,則有， 把X2750mm代入，分別計算X1=100,200,.對