第三章--超声波发射声场与规则反射体分回波声压.优秀PPT.ppt

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1、第三章 超声波放射声场与规则反射体的分回波声压主要内容：纵波放射声场横波放射声场规则反射体的回波声压AVG曲线 超声波探头（波源）放射的超声场具有特殊的结构。只有当缺陷位于超声场内时，才有可能被发觉。由于液体介质中的声压可以进行线性叠加，并且测试比较便利。因此对声场的理论分析探讨常常从液体介质入手，然后在确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xQXYZoP 波源轴线上随意一点声压；P0 波源的起始声压；FS 波源面积；Rs 波源半径 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。近场区：波源旁边由于波的干

2、涉而出现一系列声压极大微小值的区域，称为超声场的近场区。近场区声压分布不匀整,简洁引起误判，甚至漏检，所以，应尽量避开近场区检测。波源轴线上最终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，处于声压微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，这样就简洁引起误判，甚至漏检，应尽可能避开在近场区检测。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

3、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微小值。超声场横截面的声压分布：在xN的远场区，轴线上的声压最高，偏离中心声压渐渐降低，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以外进行就是这个缘由。N/2N3N6N波束指向性和半扩散角 至波源充分远处随意一点的声压，如图所示xP(r,)XYZoP(r,0)波束指向性)0Y3.83指向性系数：DC 波源前充分远处随意一点的声压P(r,)与波源轴线上同距离处声压P(r,0)之比。1、DC1 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

4、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缘由。2、半扩散角0 园盘源辐射的纵波声场的第一零值发散角。3、当0时，|DC|b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0和未扩散区长度b。解：由题意f=2.5MHz,Ds=20mm,CL=5900m/s 且=CL/f 近场区长度：半扩散角：未扩散区长度：例题:计算2.5MHz，20纵波直探头（2.5P20）探测钢工件时的近场区长度N、半扩散角0和未扩散区长度b。二、矩形波源辐射的纵波声场yxQz2a2br)0矩形波源作活塞振动时，在液体介

5、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:r3N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 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。三、纵波声场近场区在两种介质中的分布 公式 只适用匀整介质。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

6、先进入水，然后再进入钢中。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 只有介质时，钢中近场长度；C1介质水中波速；C2介质钢中波速；2介质钢中波长。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）四、实际声场与志向声场 以上探讨的是液体介质，波源作活塞振动，辐射连续波等志向条件下的声场，简称志向声场。实际检测往往是固体介质，波源非匀整激发，辐射脉冲波声场，简称实际声场。它与志向声场是

7、不完全相同的。由图可知，实际声场与志向声场在远场区轴线上声压分布基本一样。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削减，从而使波的干涉大大减弱，甚至不产生干涉。但在近场区内，实际声场与志向声场存在明显区分。志向声场轴线上声压存在一系列极大微小值，且极大值为2P0，微小值为零。实际声场轴线上声压虽然也存在极大微小值，但波动幅度小，极大值远小于2P0。微小值也远大于零，同时极值点的数量明显削减。这可从以下几方面来分析其缘由。（1）近场区出现声压极值点是由于波的干涉造成的。志向声场是连续波，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

8、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更幅度小于志向声场，极值点削减。（2）实际声场的波源是非匀整激发，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。因此这种非匀整激发的实际波源产生的干涉要小于匀整激发的志向波源。（3）志向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重量相互抵

9、消，使轴线方向的声压重量相互叠加。明显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匀整的一个缘由。序序号号实实 际际 声声 场场理理 想想 声声 场场1 1差差异异固体介固体介质质 声声压压不能不能线线性叠加性叠加液体介液体介质质 声声压压可可进进行行线线性叠加性叠加脉冲波非均匀激脉冲波非均匀激发发连续连续波均匀激波均匀激发发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、干涉大频频率不是率不是单单一的一的频频率率单单一一衰减系数衰减系数00衰减系数衰减系数=0=02 2N N极极值值点少点少极极值值点多点多极大极大值值2P2P0 0；极小；极小值

10、值0 0P Pmaxmax=2P=2P0 0；Pminmin=0=0波波动动幅度小幅度小波波动动幅度大幅度大3 3N N轴线轴线上声上声压单调压单调减小减小 4 43N3N轴线轴线上的声上的声压压 P=P P=P0 0F/X F/X 扩散角：扩散角：0=sin=sin-1-11.22/D 1.22/D 指向性：指向性：实际实际声声场场的波束指向性比理想声的波束指向性比理想声场场波束指向性更好，波波束指向性更好，波束更集中束更集中近近场长场长度：度：N=DN=D2 2/4/4 未未扩扩散区：散区：b=1.64N b=1.64N 3.2 横波放射声场一、假想横波波源 目前常用的横波探头，是使纵波倾

11、斜入射到界面上，通过波型转换来实现横波检测的。当L=时，纵波全反射，其次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其次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其次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 纵波折射角；横波入射角。二、横波声场的结构二、横波声场的结构 1.横波轴线上的声压横波轴线上的声压 横波声场同纵波声场一样，由于波的干涉存在近场区横波声场同纵波

12、声场一样，由于波的干涉存在近场区和远场区。当和远场区。当x3N时，横波声场波束轴线上的声压为时，横波声场波束轴线上的声压为 式中式中 K 系数；系数；FS 波源的面积；波源的面积；S2 其次介质中横波波长；其次介质中横波波长；x 轴线上某点至假想波源的距离。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，当由以上公式可知，横波声场中，当x3N时，波束轴线时，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，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。类似纵波声场。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

13、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。横波声场中，其次介质中的近场区长度为 式中 FS波源的面积；S2其次介质中横波波长；L1入射点至波源的距离；L2 入射点至假想波源的距离。我国横波探头常接受K值（K=tan）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，在第介质为有机玻璃;其次介质为钢的探头,特将K与cos/cos、tan/tan的关系列于表2.2。k值1.01.52.02.5 Cos/cos0.880.780.680.6 tan/tan0.750.660.580.5例1，试计算2.5MHZ、1416方晶片K1.0(2

14、.5P1416K1)和K2.0(2.5P1416K2)横波探头的近场区长度。（钢中CS2=3230m/s）解：由上式计算表明，横波探头晶片尺寸确定，K值增大，近场区长度将减小。例2，试计算2.5MHZ、1012mm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：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）纵波斜入射在其次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，其中上半扩散角上大于声束下

15、半扩散角下（2）横波垂直入射时，其声束对称于轴线，这时半扩散角可按下式计算。对于圆片形声源：对于矩形正方形声源：由公式可以看出，在其他条件相同时，横波声束的指向性比纵波好，横波能量更集中一些。因为横波波长比纵波短。3.4 规则反射体的回波声压 前面探讨的是超声波放射声场中的声压分布状况，实际检测中常用反射法。反射法是依据缺陷反射波声压的凹凸来评价缺陷的大小。然而工件中的缺陷形态性质各不相同，目前的检测技术还难以确定缺陷的真实大小和形态。反射波声压相同的缺陷的实际大小可能相差很大，为此特引用当量法。当量法是指在同样的检测条件下，当自然缺陷反射波与某人工规则反射体回波等高时，则该人工规则反射体的尺

16、寸就是此自然缺陷的当量尺寸。自然缺陷的实际尺寸往往大于当量尺寸。一、规则反射体的反射波声压公式一、规则反射体的反射波声压公式 超声波检测中常用的规则反射体有平底超声波检测中常用的规则反射体有平底孔、长横孔、短横孔、球孔和大平底面等，孔、长横孔、短横孔、球孔和大平底面等，下面分别探讨以上各种规则反射体的回波下面分别探讨以上各种规则反射体的回波声压。声压。1.平底孔回波声压平底孔回波声压 在X3N的圆盘波源轴线上存在一平底孔缺陷，设波束轴线垂直于平底孔，超声波在平底孔上全反射，平底孔直径较小，表面各点声压近似相等。依据惠更斯原理可以把平底孔当作一个新的圆盘源，其起始声压就是入射波在平底孔处的声压

17、平底孔反射波声压 式中 P0波源的起始声压；FS波源的面积，Ff 平底孔缺陷的面积；波长 x平底孔至波源的距离 由上式可知，当检测条件（FS，）确定时，平底孔缺陷的回波声压或波高与平底孔面积成正比，与距离平方成反比。随意两个距离直径不同的平底孔反射波声压之比为：二者回波分贝差为：当Df1=Df2，X2=2X1时 ,这说明平底孔直径确定，距离增加一倍，其回波下降12db。当X2=X1,Df1=2Df2，时,这说明平底孔距离确定，直径增加一倍，其回波上升12db 2.长横孔回波声压长横孔回波声压 当x3N，超声波垂直入射，全反射，长横孔直径较小，长度大于波束截面尺寸时，超声波在长横孔表面的反射就类

18、似于球面波在柱面镜上的反射。长横孔回波声压 式中 Df 长横孔的直径。由上式可知，当探测条件（FS，）确定时，长横孔回波声压与长横孔的直径平方根成正比，与距离的二分之三次方成反比。随意两个距离、直径不同的长横孔回波分贝差为：当Df1=Df2，X2=2X1时,这说明:长横孔直径确定，距离增加一倍，其回波下降9db。当X2=X1,Df1=2Df2，时,这说明：长横孔距离确定，直径增加一倍，其回波上升3 db短横孔回波声压短横孔回波声压 短横孔是长度明显小于波束截面尺寸的横孔，设短横孔直径为Df，长度为Lf。当X3N时，超声波在短横孔上的反射回波声压为：LfxDsDf 由上式可知，当探测条件（FS，

19、）确定时，短横孔回波声压与短横孔的长度成正比，与直径的平方根成正比，与距离的平方成反比。随意两个距离、长度和直径不同的短横孔回波分贝差为：当Df1=Df2，Lf1=Lf2,X2=2X1时,这说明短横孔直径和长度确定，距离增加一倍，其回波下降12db，与平底孔变更规律相同。当X2=X1,Df1=Df2，Lf1=2Lf2时,这说明短横孔直径和距离确定，长度增加一倍，其回波上升6db。（3）当X2=X1,Df1=2Df2，Lf1=Lf2时,这说明短横孔长度和距离确定，直径增加一倍，其回波上升3 db大平底面回波声压大平底面回波声压 当当X3N时，超声波在与波束垂直、表面光滑的大时，超声波在与波束垂直

20、、表面光滑的大平底面上的反射就是球面波在大平面上的反射，其回波平底面上的反射就是球面波在大平面上的反射，其回波声压为声压为:由上式可知，当检测条件（由上式可知，当检测条件（FS，）确定时，）确定时，大平底面回波声压与距离成反比。大平底面回波声压与距离成反比。两个不同距离的大平底面回波分贝差为：当X2=2X1 时这说明大平底面距离增加一倍，其回波下降6db。球孔回波声压 设球孔直径为Df,超声波垂直入射，全反射，Df足够小。Dfx 当X3N时，超声波在球孔上的反射就类似于球面波在球面上的反射，其回波声压为:由上式可知，当探测条件（Fs，）确定时，球孔回波声压与距离的平方成反比，与球孔直径成正比。

21、随意两个直径、距离不同的球孔的回波分贝差为：（1）当Df1=Df2,x2=2x1时，这说明球孔直径确定，距离增加一倍，其回波下降12 dB，与平底孔变更规律相同。（2）当Df1=2Df2,x2=x1时，这说明球孔距离不变，直径增加一倍，其回波上升6 dB实心圆柱体曲底面回波声压 这说明实心圆柱体反射波声压与大平底面回波声压相同。空心圆柱体曲底面回波声压-外柱面径向探伤 上式说明外圆检测空心圆柱体，其回波声压低于同距离大平底面回波声压。因为凸柱面反射波发散。空心圆柱体曲底面回波声压-内柱面径向探伤 上式说明内孔检测圆柱体，其回波声压大于同距离大平底回波声压。因为凹柱面反射波聚焦。以上各种规则反射

22、体的反射波声压公式均未考虑介质衰减，假如考虑介质衰减，则全部公式均应增加式中：x 反射体至探头的距离，x 3N a 介质单程衰减系数，dB/mm3.4 AVG曲线 AVG 曲线是描述规则反射体的距离A、反射波高度V及当量大小G之间关系的曲线。A、V、G是德文距离、增益和大小的字头缩写。英文缩写为DGS。AVG曲线可用于对缺陷定量和灵敏度调整。AVG曲线有多种类型，据通用性分为通用AVG和好用AVG；据波型不同分为纵波AVG和横波AVG；据反射体不同分为平底孔AVG和横孔AVG等。下面以纵波平底孔为例来说明AVG曲线的原理和绘制方法。一、纵波平底孔AVG曲线 1、通用AVG曲线适用于全部纵波探头

23、 当X3N，不考虑介质衰减时，大平底面与平底孔回波声压为 当仪器的垂直线性良好时，示波屏上波高与声压成正比。为了简化计算，对上式进行归一化处理。令 ，并代入上式得若用dB表示波高，则有 式中 A归一化距离；G归一化缺陷当量大小；V1底波与始波高dB差；V2平底孔回波与始波高dB差。纵波平底孔通用AVG曲线 B1B2B3 在A3的区域内，由于理论公式不适用，因此该区域的曲线一般不绘出或由实测得到。由平底孔缺陷通用AVG曲线可见，当A1时，由于波的干涉，使平底孔回波声压趋于困难化，出现极大微小值。但对于大平底而言，其回波几乎不随距离变更，在这个区域内的入射波可视为平面波的一部分，平均声压为常数。通

24、用AVG曲线由于接受了归一化距离和归一化缺陷当量大小，因此通用性好，适用不同规格的探头。通用AVG曲线可以用来调整检测灵敏度和对缺陷进行定量。通用AVG曲线虽然通用性好，但运用中要进行归一化换算，不大便利，为此引入了适用于特定探头的专用AVG曲线，常称好用AVG曲线。2、好用AVG曲线 以横坐标表示实际声程，纵坐标表示规则反射体相对波高，用来描述距离、波幅、当量大小之间的关系曲线，称为好用AVG曲线，下图为平底孔好用AVG曲线 好用AVG曲线可由以下公式得到。不同距离的大平底反射波dB差不同距离的不同大小平底孔反射波dB差同距离的大平底与平底孔反射波dB差 用以上公式计算绘制好用AVG曲线时，

25、要统一灵敏度基准。例如上图 是x=750mm，2平底孔为0dB。好用AVG曲线中X3N部分，可由理论公式计算得到，还可由实测CS-试块得到或由通用AVG曲线进行转换得到，但x3N的区域只能通过实测得到。例：晶片直径D=20mm，频率2.5MHZ纵波直探头，利用公式绘制钢中的好用AVG曲线。解：（1）首先要确定一个统一的灵敏度基准。例如确定的基准为x=750mm时，2平底孔的回波高度为0dB (2)计算不同距离处同一大小平底孔的回波dB差 依据 此时Df1=Df2,则有，把X2750mm代入，分别计算X1=100,200,.对应的（dB值）就得到2平底孔的距离波幅曲线。(3)计算同距离处不同大小

26、平底孔的回波dB差 依据 此时，x1=x2,则有：Df12mm代入，分别计算Df23，4，.时的值。将2平底孔曲线分别向上平移相应的dB值，就得到3、4、.8 的距离波幅曲线。（4）计算2平底孔回波与同距离大平底面回波高度的dB差计算出不同x值对应的值，在图和坐标系中描点，然后用平滑的曲线连接，就得到大平底面的距离波幅曲线B。由于好用AVG曲线是特定探头实测和计算得到的，因此好用AVG曲线也只适用于特定探头。在好用AVG曲线中要注明探头的尺寸和频率。对于垂直线性好的仪器，波高与回声压成正比，将AVG曲线干脆绘制在仪器示波屏面板上，称为AVG面板曲线，其纵坐标表示回波高，横坐标表示距离，如下图所

27、示。图中虚线表示底波衰减10dB、20dB、30dB以后的波高。图2.17 平底孔AVG面板曲线图利用AVG面板曲线来调整检测灵敏度和对检测中发觉的缺陷定量特别便利。好用AVG曲线同样可用于调整检测灵敏度和缺陷，而且比通用AVG曲线便利。例如，用2.5、20直探头探测饼形钢锻件，锻件厚度650mm，检测中在500处发觉一缺陷，缺陷波比大平底反射波低31dB。问：如何利用底波调2灵敏度？求缺陷的当量大小？解：灵敏度的调整 如下图所示，在650mm处作垂线交2曲线于E、交B曲线于F，则EF对应的分贝值48dB就表示该大平底与2平底孔反射波分贝差。然后再按前面所述灵敏度调整方法进行调整。对缺陷定量 如上图所示，在500mm处作垂线与比F点低31dB的水平线相交于Q点，则Q点所对应的曲线的当量尺寸4就是所求缺陷的当量大小。插入法：baxy1y2接受插入法求得：若a=4mm,b=6mm,y1=2,y2=3求得：x=5.2 mm 以上探讨的平底孔AVG曲线，在锻件检测中得到应用。在焊缝检测中，一般是接受描述确定直径横孔回波高与距离之间关系的波幅距离曲线。这种曲线常常通过实测得到，它是好用AVG曲线的特例。感谢大家！