1、 超聲波源發射的超聲場，具有特殊的結構。只有當缺陷位于超聲場內時，才有可能被發現。 由于液體介質中的聲壓可以進行線性疊加，并且測試方便，因此對聲場的理論分析研究一般從流體介質入手，然后在一定條件下過渡到固體介質。 又由于我們目前廣泛應用脈沖反射法檢測，此因本章還討論了各種規則反射體的回波聲壓。 1 波源軸線上的聲壓分布波源軸線上的聲壓分布 如圖31所示，將圓盤聲源看成活塞聲源，設該活塞聲源上各點以同相位、同速度的簡諧振動輻射聲能。 圓盤可以看成是由無數多個面積為dS的小面積元組成，每個小面積元都是向半空間輻射球面波的點聲源 點聲源滿足kr0N的區域，聲壓隨距離增加而單調減的區域，聲壓隨距離增加

2、而單調減少，稱為遠場區少，稱為遠場區 。當。當 時，聲壓近似球面時，聲壓近似球面波的規律。這是因為距離足夠大時，波源各點至波的規律。這是因為距離足夠大時，波源各點至軸線上某點的聲程差很小，引起的相位差也很小，軸線上某點的聲程差很小，引起的相位差也很小，這時干涉現象可以忽略不計。這時干涉現象可以忽略不計。Nx3 2 超聲場截面的聲壓分布超聲場截面的聲壓分布 橫截面的聲壓分布：在近場區內的中心軸線上存在聲壓橫截面的聲壓分布：在近場區內的中心軸線上存在聲壓為零的截面，如圖所示為零的截面，如圖所示0.5N處，但偏離中心較高。在處，但偏離中心較高。在xN的遠場區，中心最高，兩邊漸漸低，規定的遠場區，中心

3、最高，兩邊漸漸低，規定2N以外測以外測定聲束偏離和探頭定聲束偏離和探頭K值才準確。值才準確。圖圖33，4 聲束橫截面聲壓分布聲束橫截面聲壓分布 3波束的指向性和半擴散角波束的指向性和半擴散角 波源在充分遠處任意一點的聲壓波源在充分遠處任意一點的聲壓P(r，)與波源與波源軸線上同距離處聲壓軸線上同距離處聲壓P（r, 0）之比，稱為指向性）之比，稱為指向性系數，如下圖所示，用系數，如下圖所示，用DC表示：表示：圖圖36 遠場中任意一點聲壓推導圖遠場中任意一點聲壓推導圖 點波源點波源ds在至波源距離遠處任意點在至波源距離遠處任意點M（r, )處引處引起的聲壓為：起的聲壓為： 整個圓盤波在點整個圓盤波

4、在點M（r, )處引起的總聲壓幅值為：處引起的總聲壓幅值為： 式中：式中：J1為一階為一階Bessel函數函數 dSkrtjjerkPdP)(20sin)sin(2sin)sin(221010ssSsSmkRkRJrFPkRskRJrkFPP)!1( !2) 1()(121201kkyyJkkkk 指向性系數：指向性系數： 令令 ，則，則 sin)sin(2)0 ,(),(1ssCkRkRJrPrPDsinskRy .! 324! 1221)(2531yyyyJDC DC與與y的關系曲線如下圖所示：的關系曲線如下圖所示：圖圖37 源盤波束指向性示意圖源盤波束指向性示意圖由圖可知以下結論：由圖可

5、知以下結論：（1）。這說明超聲場中至波源充分遠處同一橫截面上）。這說明超聲場中至波源充分遠處同一橫截面上各點的聲壓是不同的，以軸線上的聲壓為最高。實際探各點的聲壓是不同的，以軸線上的聲壓為最高。實際探傷中，只有當波束軸線垂直于缺陷時，缺陷回波最高就傷中，只有當波束軸線垂直于缺陷時，缺陷回波最高就是這個原因。是這個原因。（2）當）當y=kRssin=3.73,7.02,10.17,時，時，Dc=P(r，)/P(r，)=0，即，即P(r，)=0。這說明圓盤源輻射的縱波。這說明圓盤源輻射的縱波聲場中存在一些聲壓為零的圓錐面。聲場中存在一些聲壓為零的圓錐面。由由y=kRssin=3.73得：得： 0a

6、rcsin1.22/Ds0-圓盤波輻射縱波聲場的第一零值發散角，即半擴散角。圓盤波輻射縱波聲場的第一零值發散角，即半擴散角。（3）當）當y3.73，即，即0時，時，|Ds|b的區域稱為擴散區，擴散區內波束擴散衰減。的區域稱為擴散區，擴散區內波束擴散衰減。 20200)2(222. 1sinDbDDsNDbs64. 144. 223）例：若用）例：若用f=2.5MHz，探頭晶片直徑，探頭晶片直徑Ds=20mm的探頭的探頭檢測聲速檢測聲速CL=5900m/s的鋼工件，那么的鋼工件，那么N、 0和和b分別分別為為)( 5 .694 .4264. 164. 126. 8105 . 2201059007

7、070704 .421059004105 . 2204463036222mmNbfDCDCfDDNsLsLss 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和未擴散角。近場區內聲壓分布復雜，理論計算困難。遠場區聲源軸和未擴散角。近場區內聲壓分布復雜，理論計算困難。遠場區聲源軸線上任意一點線上任意一點Q處的聲壓用液體介質中的聲場理論可以導出，其計算處的聲壓用液體介質中的聲場理論可以導出，其計算公式為：公式為：式中式中Fs矩形波源面積，矩形波源面積，Fs=4ab。 對上式特殊情況進行討論可知對上式特殊情況進行討論可知1

8、）當）當= =0時，遠場軸線上某點的聲壓為：時，遠場軸線上某點的聲壓為：sin)sinsin(cossin)cossinsin(r)(S0KbKbKaKaFP，r，Pr)00(S0FP，r，P 2）當當=0時，時， YOZ平面內遠場某點的聲壓為：平面內遠場某點的聲壓為：這時在這時在YOZ平面內的指向性系數平面內的指向性系數Dr為：為： Dr與y的關系曲線如圖的關系曲線如圖311所示。所示。sin)sinsin(r)0(S0KbKbFP，r，PyyKbKb，r，P，r，PDrsinsin)sinsin()00()0(圖圖311 矩形源矩形源Dr與y的關系曲線示意圖的關系曲線示意圖 由圖可知，當由

9、圖可知，當y= 時，時， Dr 0，這時對應的，這時對應的YOZ平面內半平面內半擴散角為：擴散角為：同理可以推出同理可以推出XOZ平面內半擴散角為：平面內半擴散角為： 由以上論述可知，矩形波源輻射的縱波聲場與圓盤源不同，由以上論述可知，矩形波源輻射的縱波聲場與圓盤源不同，矩形波源有兩個不同的半擴散角，其聲場為矩形。矩形波矩形波源有兩個不同的半擴散角，其聲場為矩形。矩形波源的近場區長度為源的近場區長度為bb2572arcsin0aa2572arcsin0SFN 公式公式 只適用均勻介質。實際檢測中，有時近場區分布只適用均勻介質。實際檢測中，有時近場區分布 在兩種不同的介質中，如教材圖在兩種不同的介質中，如教材圖313所示的水浸檢測，超所示的水浸檢測，超聲波是先進入水，然后再進入鋼中。當水層厚度較小時聲波是先進入水，然后再進入鋼中。當水層厚度較小時,近近場區就會分布在水、鋼兩種介質中。場區就會分布在水、鋼兩種介質中。 設水層厚度為設水層厚度為L，則鋼中剩余近場區長度，則鋼中剩余近場區長度N為：為：若基于水中近場區計算，則：若基于水中近場區計算，則：21222124ccLDccLNNS42SDN 式式3172112211)4()(ccLDccLNNS式式318例：用用2.5MHz、14mm縱波直探頭水浸探傷鋼板，已縱波直探頭水浸探傷鋼板，已知水層厚度為知水層厚度