1、第二章超聲波發(fā)射聲場(chǎng)與規(guī)則反射體的回波聲壓第一節(jié)縱波發(fā)射聲場(chǎng)一、圓盤(pán)波源輻射的縱波聲場(chǎng)(聲源固定在無(wú)限大障板上)1.波源軸線上聲壓dpjk cuadsej( t kh)2 hds21d 1 hx2聲源在Q點(diǎn)產(chǎn)生的總聲壓P(Q) jk cuaej( t)3kh2ae0 2 hidjk cuaejRe jkhxcuaejtejkRjkx叫ejtex jk(xeR)2jk(x R)e 22 cua sink(R x)eJ t k(Rx)/2/2此處用到公式sinej e jQ點(diǎn)處的聲壓振幅 P可表示為P2P0s in (.R； x2 x)式中Rs 波源半徑F0x軸線上Q點(diǎn)至波源的距離CUa(1) 近

2、場(chǎng)區(qū)a)當(dāng)(4Ds x2x) (2n 1)?時(shí)P 2 P0聲壓具有最大值,此聲壓為2倍平面波聲壓。此位置XnDj2(2 n 1)24 (2n1)n=0,1,2D 有(n+1)個(gè)值2此時(shí)N其中n=0為距聲源最遠(yuǎn)一個(gè)最大值，(條件DsN稱(chēng)為近場(chǎng)長(zhǎng)度。近場(chǎng)區(qū)內(nèi)，與聲軸垂直且與聲源面積相當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)， 其平均聲壓等于平面波聲壓。b) 聲壓最小值點(diǎn)(D _當(dāng)一(J一- xx) n 時(shí),該位置聲壓振幅 P=0。4以x'表示聲壓最小值點(diǎn)的位置，則Xn2 2Ds (2n )8n得詩(shī)取整,最小值個(gè)數(shù)為1、2、3 2 2其中n=1相應(yīng)于最遠(yuǎn)的最小值點(diǎn),且此點(diǎn)的值為x12DsN82c) N內(nèi)其他各點(diǎn)的聲壓介于

3、0與2P0之間。d) 當(dāng)x>N時(shí)，聲軸線上的聲壓從 2P0單調(diào)下降。e) 當(dāng) x>> Rs 時(shí),P2P°s in (R：x2x)2P0刑-xj1 (號(hào))2 X (Q 1 22P0si n x(12P°sin-匡)2x2PoRs212x丄(旦)26 2xR：、21 ()xFsp。x6 2x相對(duì)誤差為)26 2x2 22 N2224 x,故當(dāng)x=N時(shí)，誤差20.411,24x=1.67N,0.15, x 3N ,0.046f)聲軸線上遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)P PFx即遠(yuǎn)場(chǎng)中，聲軸線上聲壓與距離成反比。式中FsX遠(yuǎn)場(chǎng)中任意一點(diǎn) M(r,)處的聲壓為:P(r,)F0 Fs 2 J

4、1 (kRs sin )0 sP(r,0)/P(r,)r kRssinD()kRs sin稱(chēng)為圓盤(pán)源遠(yuǎn)場(chǎng)的方向性函數(shù)。D()的特性是:a) 2Jl(V)當(dāng)V 0即0時(shí)(即聲軸線處)VD( )=1,為最大值,即聲軸線上聲壓最高，b) kRs<1 時(shí) Ji(V)V/2,D( )1,輻射各向均勻。2 一(kRs<l即RS<1,為低頻輻射)c)當(dāng)kRs大于3.83時(shí),輻射具有復(fù)雜的指向性，其指向特性下圖所示,當(dāng)kRSsin =3.83時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)零值，此時(shí)相應(yīng)的 值以0表示:sin1(3.83)(kRT)sin1(3.83)(2RT)sin 1(0.61)Rssin 1(1.22)D

5、s當(dāng) <<Ds 時(shí)，01.22(弧度)70(度)DsDs0稱(chēng)為第一零輻射角或半擴(kuò)散角 主聲束寬度為2 0( 0為球面角 2.束未擴(kuò)散區(qū)與擴(kuò)散區(qū)，此角度處聲壓振幅為零。sin 01.22Ds /2Ds2波束未擴(kuò)散區(qū)長(zhǎng)度為1.64倍近場(chǎng)長(zhǎng)度。例：求2.5P20直探頭在鋼中的 N、0和b（鋼中縱波聲速為 5900m/s）N=D；D；4Ci20； 2.5 1064 5900 10342.4(mm)70DCf8.26°3.超聲場(chǎng)截面聲壓分布。、矩形波源輻射的縱波聲場(chǎng)1. 方向性函數(shù)P(r,P)Fs sin(kasin cos ) sin(kbsin )rkas in cos kbs

6、 in聲軸上聲壓為P(r,0,0)P0Fsr35900 1020 2.5 106b=1.64N=1.64 X 42.4=69.5(mm)YOZ平面內(nèi)的半擴(kuò)散角0 sin 1（）57（度）2b 2b在xoz平面內(nèi)的半擴(kuò)散角0為0 sin （ ） 57（度）2a 2a近場(chǎng)長(zhǎng)度N 空 llll（幾何平均值） 44|2或N（經(jīng)典聲學(xué)公式）4教材上給的公式 NFsI1I2ab（不很妥當(dāng)）三、近場(chǎng)區(qū)在兩種介質(zhì)中的分布在均勻介質(zhì)中2l1N Ds/4 一NiI2N2山IN2D：/4 1Df/4 2IlI1-C1C2C2C2C2N2 介質(zhì)n中（鋼中）近場(chǎng)長(zhǎng)度 L 水層厚度C1 介質(zhì)I中（水中）波速C2 介質(zhì)n中

7、（鋼中）波速2介質(zhì)n中（鋼中）波長(zhǎng)20m m鋼中例：求2.5P14縱波直探頭水浸探傷鋼板，已知水層厚度為C|=5900mm/s,水中CI =1480m/s。求鋼中近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度C5.9s.2.36( mm)f2.5“ D214 1420 1480,“、N -I15.7(mm)4 2C24 2.365900四、實(shí)際聲場(chǎng)與理想聲場(chǎng)比較（1）理想聲源：連續(xù)，單頻波，干涉充分實(shí)際聲源：脈沖，多頻波，干涉不充分(2) 脈沖波可分解為多頻波，每個(gè)分量都有各自的近場(chǎng)長(zhǎng)度和半擴(kuò)散角，觀察點(diǎn)處的總聲壓為各分量聲壓之和，即p Jr2 p2 p3 p2近場(chǎng)長(zhǎng)度內(nèi)，各分量的零值點(diǎn)位置不同，因此實(shí)際上不存在真正的零值點(diǎn)。

8、遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)亦不存在絕對(duì)的零輻射角。(3) 實(shí)際聲源是非均勻激發(fā)，理想聲源是均勻激發(fā)(活塞型)(4) 理想聲場(chǎng)是針對(duì)液體介質(zhì)而言的，而實(shí)際探傷對(duì)象是固體介質(zhì)。第二節(jié)橫波發(fā)射聲場(chǎng)一、假想橫波源cos橢圓短軸 DsDs-cos1. 波束軸線上的聲壓(略)2. 近場(chǎng)長(zhǎng)度圓晶片：,N1N2DsD： cos2.4 s2 4 s2 cos22D s cos4 s2 cosFs coss2 cos方晶片：可參照上式近似計(jì)算第二介質(zhì)中的近場(chǎng)長(zhǎng)度 NN' N 12Fs coss2 cosFs 波源面積s2 介質(zhì)n中橫波波長(zhǎng)li 入射點(diǎn)至波源的距離12 入射點(diǎn)至假想波源的距離例1:試計(jì)算2.5MHz、14X 1

9、6 mm方晶片K1.0和K2.0橫波探頭的近場(chǎng)區(qū) 長(zhǎng)度 N。(鋼中 CS2=3230m/s)解：入 s2=Cs/?=3.23/2.5=1.29(m)N1K)ab Cos 1S2 Cos 114 163.14 1.290.8848.7 (m)N2E)ab Cos 21S2 Cos 214 163.14 1.290.6837.7 (m)由上計(jì)算表明，橫波探頭晶片尺寸一定，K值增大，近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度將減小。 例2:試計(jì)算2.5MHz、10X 12 mm方晶片K2.0橫波探頭，有機(jī)玻璃中入射 點(diǎn)至晶片的距離為12 m,求此探頭在鋼中的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度N。解：入 s2=Cs2/7=3.23/2.5=1.29(m)a

10、b Cos | tgL1S2 Costg10 123.14 1.293. 半擴(kuò)散角0.68 12 0.58 13 （m）Dscl1cos上下sinab在聲束軸線與入射平面垂直的平面內(nèi)(即與低面垂直的平面內(nèi))晶片圓：0 arcsin1.22Ds7%：（晶片圓）方晶片：0arcsin1.2257（度）2a 晶片在a方向邊長(zhǎng)2a2a例題：用2.5MHz、0 12 m 縱波直探頭探傷鋼工件，鋼中Q=5900m/s，求其半擴(kuò)散角。解：入 L=G/f=5.9/2.5=2.36 (m)0 0=70 入 l/Ds=70 >2.36/12=13.8第三節(jié)聚焦聲源發(fā)射聲場(chǎng)聲場(chǎng)的形成1.聚焦探頭的種類(lèi)1）液浸

11、型F的值為Fr1c2 / c1crCC22.25r，r 0.445F（設(shè)C2 c水1500米/秒，有機(jī)玻璃C1 2700米/秒）2）接觸型條件：C1 C2C1 :（如有機(jī)玻璃中）C1=2700米/秒C2 :（如聚楓中）C2=2300米/秒二、聚焦聲場(chǎng)的特點(diǎn)與應(yīng)用1聚焦聲束軸線上的聲壓分布 在聲程x>R,焦距F>R的條件下，聲壓P的近似公式為：P式中F=焦距= c1r /（C1r聲透鏡曲率半徑 x觀察點(diǎn)聲源的距離F x2P°si n -B-(1 -) 2 x F(1 F)C2 )B R2/ F N /F，R為波源半徑條件：C1C2 ,即透鏡中聲速大于液體中聲速在焦點(diǎn)處x=F

12、,上式可簡(jiǎn)化為PBPo （2 25）當(dāng)B=10時(shí)，P=31.4P°。即當(dāng)焦距F近場(chǎng)長(zhǎng)度的1/10時(shí)，其聲壓為平面波聲壓的31.4倍由圖可見(jiàn)，B越大，即 F相對(duì)近場(chǎng)長(zhǎng)度越小， 聚焦效果愈好。當(dāng) F=N 時(shí)，B=1，PBPo 3.14Po結(jié)論：焦距應(yīng)選在近 場(chǎng)之內(nèi)2. 焦柱的幾何尺寸因?yàn)槁暡ǖ牟▌?dòng)性，焦點(diǎn)附近為一個(gè)聚焦區(qū)。對(duì)柱面形透鏡而言，焦柱直徑d和焦柱長(zhǎng)度L可表示為（聲壓下降6dB測(cè)量法）d F/2R （d焦柱直徑）L F2/R2 （ L焦柱長(zhǎng)度）常數(shù)L/d=2F/R3.1)2)3)聚焦探頭的應(yīng)用缺陷尺寸的測(cè)定裂紋高度的測(cè)定，裂紋高度配合斷列力學(xué)計(jì)算使用壽命特殊工件粗晶材料檢測(cè)tgo

13、od四、1.21.22 f /Rs焦探傷時(shí)水距的選擇f/Rs入一一波長(zhǎng)d焦距直徑C工件F 件C水推導(dǎo)_CC工件即sinC工件在三角形ABC中bS2sin si n180()S2sinF H I cos bS2F HIS2,bcoscosbS2sinsinIF Hsin cos sin cossin sin sinCx件 . cosIC 水 cos卄sin cos即 H F IFsin cos當(dāng)很小時(shí)，cos1,cos1,即cos1cosC工件第四節(jié)規(guī)則反射體的回波聲壓概述：超聲探傷中常用反射法,反射法是根據(jù)缺陷反射回波聲壓的高低來(lái)評(píng)價(jià)缺陷的大小。由于工件中缺陷的形狀性質(zhì)各相同，以前的探傷技術(shù)還

14、難以確定缺陷的真實(shí)大小和形狀。 為此引入當(dāng)量法。回波聲壓相同缺陷，其實(shí)際大小可能相差很大當(dāng)量法的定義：在同樣的探測(cè)條件下，當(dāng)自然缺陷回波與某人工反射體回波等高時(shí)，就認(rèn)定該人工反射體尺寸就是此自然缺陷的當(dāng)量尺寸。（自然缺陷的實(shí)際尺寸往往大于當(dāng)尺寸 ）人工缺陷或規(guī)則反射體的種類(lèi)主要有：平底孔、長(zhǎng)橫孔、短橫孔、球孔、 大平底、圓柱曲底面。下面分析這些人工反射體的反射規(guī)律一、平底孔回波聲壓當(dāng)x»3N時(shí),若波束軸線垂直于平底孔, 平底孔可看作一個(gè)新的圓盤(pán)源，其起始 聲壓就是入射聲波在平底孔處的聲壓PxP0Fs / x探頭接收到的平底孔回波聲壓Pf為2PxFfPoFsFfDfPfx fPoFs

15、fx x4 x即平底孔回波聲壓與平底孔直徑平方 成正比，與距離平方成反比。式中：Poocua 平面波聲壓2 Fs 探頭波源面積FsD s42Ff平底孔缺陷面積FfDf4在介質(zhì)中的波長(zhǎng)x平底孔到波源距離由(2 29)式可知：平底孔回波聲壓或波高與平底孔面積成正比(或與平底任意兩個(gè)平底孔回波聲壓或波高之比為:Hf2Pf12X2D?1Hf 1Pf22X1Df22Df 1Df 2X2X1二者回波聲壓分貝差為:12 20lgfPf240lg孔直徑的平方成正比) 當(dāng)Df1 Df2時(shí)，距離增加一倍，其回波下降12dB當(dāng)x 1 x 2時(shí),若D f 1 D f 2Df 1則 12 40lg d 40 lg2 4

16、0 0.3010 12dB,D f2即距離相同時(shí)，平底孔直徑增加一倍，其回波升高12dB、長(zhǎng)橫孔回波聲壓 長(zhǎng)橫孔：直徑較小而長(zhǎng)度大于聲束直徑超聲波在長(zhǎng)橫孔表面的反射類(lèi)似于球面波在柱面鏡上的反射此時(shí)公式(1.54)為PxP1 ifa V(1 x/a)x f(1x/a)以a=x, f Df /4,匕/a P0Fs/ x代入上式且取正號(hào),可得PxPoRDf2 x Df 2xPoFs Df2 x 1 2x推導(dǎo)：PxPoFsDf/42 x (1 1)x (Df /4)(11)Df 長(zhǎng)橫孔的直徑Pf 1Df1 x212 20lg 1Olg 3Pf2Df2X；(1)當(dāng) Df1 Df2,X2 2X1 時(shí)，12

17、 20lg(Ff1 /Pf2) 30lg(X2/xJ 30 Ig 2 9dB 即：長(zhǎng)橫孔直徑一定，距離增加一倍，其回波下降9dB當(dāng) x 1 x 2 , D f 1 D f 2 時(shí)1220lg(Ri/Pf2) 10lg(Dfi/Df2)10lg 2 3dB即：長(zhǎng)橫孔距離一定，直徑增加一倍，其回波上升3dB三、短橫孔短橫孔：其長(zhǎng)度明顯小于波束截面尺寸的橫孔。設(shè)橫孔直徑為Df，長(zhǎng)度為If，當(dāng)x»3N時(shí)超聲波在短橫孔上的反射回波聲壓即：短橫孔回波聲壓與短橫孔長(zhǎng)度If成正比，與短橫直徑的平方成正比,與距離的平方成反比。24Pf 1If 1 X2 Df 112 20|g 廠10|g?r 4-pf

18、 2If2 X1 Df 2(1)當(dāng) Df1 D f 1,1 f1 1 f 2 , X2 2x1 時(shí)，12 20lg Pf1/Pf240 Ig(x2/X1)長(zhǎng)度一定時(shí)，距離增加一倍，其回波下降40Ig 2 12dB 即:短橫孔直徑和12dB，與平底孔變化規(guī)律相同。D f 2 , X1X2 , I f112 20Ig Pf1/Pf2 20Ig(If1/If2)20Ig2度增加一倍時(shí)，其回波上升6dB當(dāng) X 1 X2 , I f 1 I f2 , Df 1 D f2 時(shí)，1220Ig(Pf,Pf2) 10Ig(Df"Df2)10Ig2即：短橫孔直徑增加一倍時(shí)，其回波升高3dB時(shí)6dB 即:

19、短橫孔長(zhǎng)3dB四、球孔回波聲壓設(shè)球孔直徑為Df，超聲波垂直入射，全反射， Df足夠小。當(dāng)x>3N時(shí)超 聲波在球孔上的反射類(lèi)似于球面波在球面鏡上的反射。以a=x, ?=D/4, R/a P0Fs/ x代入 可得到球孔回波聲壓：P巳一fa x f(1 x/a)PoFs Df1x 4 Df x (1 1)41.53 )并取正號(hào)，同時(shí)考慮到Df x ,P°Fs Df1x 4 x Df /2FQFs Dfx 4x即：球孔回波聲壓與孔徑成正比，與距離成平方成反比。孔徑增加一倍時(shí),回波聲壓上升6dB,距離增加一倍時(shí)，回波聲壓下降12dB。五、大平底當(dāng)x>3N,超聲垂直入射于大平底面Pb

20、PoFs2 x大平底面的回波聲壓與距離成反比1220 lg( PB1 / PB2 )20lg(X2/xJ當(dāng) x2 2x11220 lg( PB1 / PB2 )20lg(X2 / Xi) 20 Ig 2 6dB即：大平底面距離增加一倍, 六、圓柱曲底面回波聲壓1.實(shí)心圓柱體以a=x, ?=D/4, P1 /aP0Fs / x代入（1.54 ）并取負(fù)號(hào)，得實(shí)心圓柱凹曲底面的回波聲壓為：PbPVfa < (1 x /a)x f (1x/a)P°Fs2 x這說(shuō)明，實(shí)心圓柱回波聲壓等于大平底面回波聲壓。2.空心圓柱體1）內(nèi)孔回波（探頭置于外圓）P /aP0Fs / x以a=x=（D -

21、 d）/2,f=d/4,代入（1.54 ）,并取正號(hào)，得外圓探傷空心圓柱體凸柱曲底面的回 波聲壓：PBa (1 x/a)Jf(1 x/a)這說(shuō)明，內(nèi)孔回波低于大平底回波聲壓。2)外表面回波(探頭置于內(nèi)孔)以 a=x=(D d)/2,f=D/4,P1 la P0Fs / x 代入(1.54 )式并取負(fù)號(hào)得回波聲壓：PP1fB a (1 x/a)x f (1x/a)PoFs D2 x dPf衰Pfe2 x/8.68這說(shuō)明，外圓回波聲壓大于大平底面回波聲壓。 七、考慮衰減時(shí)的回波聲壓公式介質(zhì)單程衰減系數(shù)，單位dB/伽分貝 1 奈培， 1dB=0.115 奈培=1/8.68 奈培8.68例：用2.5P

22、20探頭探測(cè)400伽鍛鋼件，要求4的缺陷不漏檢 用200/ $ 2平底孔試塊如何調(diào)節(jié)靈敏度？ 用工件大平底如何調(diào)節(jié)靈敏度？解：ND2D24c/f2024 5.9/2542.4(mm)T=400>3N,試塊厚度T' =200>3N,可用計(jì)算法確定探傷靈敏度 根據(jù)(Pf / Pj)40 lg丄丸j Xf4 200=40lg0dB2 400即：用200/ 2平底孔試塊調(diào)節(jié)靈敏度時(shí)，將200/ $ 2平底孔回波調(diào)到基準(zhǔn)波高即可。（Pf /P平）22°g20lg3.14 422 2.34 40031.4dB即：用200/ 2平底孔試塊調(diào)節(jié)靈敏度時(shí)，將工件大平底回波調(diào)到基準(zhǔn)波

23、高，即將儀器靈敏度提高 31.4dB即可。第四節(jié)AVG曲線概述：AVG曲線是描述規(guī)則反射體的距A、回波高度V及缺陷當(dāng)量大小 G之間關(guān)系的曲線。這里 A、V、G是德文的距離、增益和大小字頭編寫(xiě)。英 文縮寫(xiě)DGS曲線。通用AVG曲線AVG曲線分類(lèi)：按通用程度分 YI實(shí)用AVG曲線l縱波AVG曲線按波型分Y橫波AVG曲線平底孔AVG曲線按反射體類(lèi)型分Y-橫孔AVG曲線一、縱波平底孔 ANG曲線1. 通用AVG曲線當(dāng)x>3N,不考慮介質(zhì)衰減時(shí)，大平底與平底孔回波聲壓為PfP°FsFf2 2xPb與F0或f與H0的比為Hb Fs DfH02 x 4 2xN 2x 2A（這里A=x/N為歸

24、一化距離）HfPfFsFfDSDiiDS2dS2 2D；2G2 2H0P02 2x442 2x4422Ds xA2Hb和Hf相對(duì)于H°的波咼為Vi和V2：Vi B Ho 20lg20 Ig (2- 49)H o2AHfGV2f Ho 20lg - 40lg (2 50)HoAA歸一化距離G歸一化缺陷當(dāng)量Vi底波相對(duì)于 H)的波高V2平底孔回波相對(duì)于H的波高以橫坐標(biāo)表示IgA,縱坐標(biāo)表示V,V2,由公式(2.49)得出大平底波高與距離 的關(guān)系曲線B見(jiàn)下圖。由公式(2.50)得出一族不同平底孔回波與距離之間 的關(guān)系曲線注意點(diǎn)：1)Vi,V2相對(duì)于H均為負(fù)數(shù)，說(shuō)明各底波與平底孔回波均低于平面 回波H)2) 在1N內(nèi)底波Vi的高度變化不大，近似不變(近似等于平面回波)大體可看作平面波，而平底孔回波則出現(xiàn)極大極小值，但平底孔回波的最大值不是 2P0,最小值也不是零3)