第3章 超聲波發(fā)射聲場(chǎng)與反射體的回波聲壓00

1第3章超聲波發(fā)射聲場(chǎng)與反射體的回波聲壓主講教師：王秋萍Xi'anPolytechnicUniversity23.1縱波發(fā)射聲場(chǎng)3.2橫波發(fā)射聲場(chǎng)3.3規(guī)則反射體的回波聲壓3.4AVG曲線Xi'anPolytechnicUniversity主要內(nèi)容3

圓盤(pán)波源輻射的縱波聲場(chǎng)矩形波源輻射的縱波聲場(chǎng)縱波聲場(chǎng)近場(chǎng)區(qū)在兩種介質(zhì)中的分布3.1縱波發(fā)射聲場(chǎng)Xi'anPolytechnicUniversity4

活塞聲源：理想的圓盤(pán)聲源是指圓形平面的聲振動(dòng)源，當(dāng)它沿平面法線方向振動(dòng)時(shí)，其面上各點(diǎn)的振動(dòng)速度的幅值和相位都是相同的，這樣的聲源稱為活塞聲源，發(fā)射的波為活塞波。一.圓盤(pán)波源輻射的縱波聲場(chǎng)Xi'anPolytechnicUniversity聲源（圓形壓電晶片）→縱波→在無(wú)粘滯性的水中傳播。51.波源軸線上的聲壓分布

面元dS輻射的球面波在波源軸線上Q點(diǎn)引起的聲壓為：

圓盤(pán)波源上各面元在軸線上任一點(diǎn)Q引起的聲壓為：Xi'anPolytechnicUniversity6(1)

波源軸線上Q點(diǎn)聲壓幅值為：Xi'anPolytechnicUniversity上式表明，圓盤(pán)軸線上的聲壓與距離成反比，與波源面積成正比。

波源軸線上的聲壓隨距離變化關(guān)系圖7(2)近場(chǎng)區(qū)(菲涅爾區(qū))：波源附件由于波的干涉而出現(xiàn)的一系列聲壓極大極小的區(qū)域。Xi'anPolytechnicUniversity近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度：波源軸線上最后一個(gè)聲壓極大值至波源的距離，用N表示。(3)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)：波源軸線上的至波源的距離x>N的區(qū)域。

遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)軸線上的聲壓隨距離的增加單調(diào)減少，當(dāng)x>3N時(shí)，聲壓距離成反比。

在近場(chǎng)區(qū)檢測(cè)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，因此應(yīng)盡可能避免近場(chǎng)區(qū)檢測(cè)定量。8近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度的推導(dǎo)過(guò)程：Xi'anPolytechnicUniversity結(jié)論：近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度與波長(zhǎng)成反比（與頻率成正比），與聲源面積成正比。9Xi'anPolytechnicUniversity圓形晶片輻射聲場(chǎng)近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度與聲源尺寸的關(guān)系102.超聲場(chǎng)橫截面聲壓分布在當(dāng)x<N的近場(chǎng)區(qū)內(nèi)，存在中心軸線上聲壓為0的截面，如x=0.5N的截面，中心聲壓為0，偏離中心聲壓較高。在x≥N的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)，軸線上的聲壓最高，偏離中心聲壓逐漸降低，且同一橫截面上的聲壓的分布是完全對(duì)稱的。Xi'anPolytechnicUniversity11圓盤(pán)源聲壓沿軸線和橫截面分布圖

在x≥N的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)，軸線上的聲壓最高，偏離中心聲壓逐漸降低，且同一橫截面上的聲壓的分布是完全對(duì)稱的。Xi'anPolytechnicUniversity123.波束指向性與半擴(kuò)散角(1)波源軸線外任一點(diǎn)的聲壓為Xi'anPolytechnicUniversity結(jié)論：圓形聲源輻射的聲場(chǎng)中，軸線外任一點(diǎn)的聲壓與聲源面積成正比，與距離r成反比，同時(shí)還方向θ而變。相同距離不同方向的位置上，聲壓是不均勻的。當(dāng)θ=0o時(shí)，聲場(chǎng)的聲壓最大。13Xi'anPolytechnicUniversity(2)波束指向性與半擴(kuò)散角波源充分遠(yuǎn)處任意點(diǎn)的聲壓P(r,θ)與波源軸線上同距離處聲壓P(r,0)之比，稱為指向性系數(shù)，用D(θ)表示。14(1)D(θ)

≤1

。(4)在超聲波主波束之外存在一些副瓣，能量很小。結(jié)論：Xi'anPolytechnicUniversity(3)當(dāng)y>3.83，即θ>θ0時(shí)，說(shuō)明超聲能量主要集中在半擴(kuò)散角內(nèi)。15Xi'anPolytechnicUniversity上圖表明：晶片尺寸越大，指向性越好。164.波束未擴(kuò)散區(qū)與擴(kuò)散區(qū)Xi'anPolytechnicUniversity17例題：若用f=2.5MHz，D=20mm的直探頭檢測(cè)鋼工件(聲速cL=5900m/s)，那么近場(chǎng)長(zhǎng)度N，半擴(kuò)散角θ0和未擴(kuò)散區(qū)長(zhǎng)度b分別是多少？解：Xi'anPolytechnicUniversity18二.矩形波源輻射的縱波聲場(chǎng)1.波源軸線外的聲壓分布Xi'anPolytechnicUniversity192.指向性與半擴(kuò)散角Xi'anPolytechnicUniversity203.近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度Xi'anPolytechnicUniversity21正方形晶片輻射聲場(chǎng)近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度與聲源尺寸的關(guān)系Xi'anPolytechnicUniversity左圖表明：矩形晶片尺寸越大，近場(chǎng)長(zhǎng)度越大，越不利于檢測(cè)。22Xi'anPolytechnicUniversity矩形晶片輻射聲場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果上圖表明：晶片尺寸越大，指向性越好。23矩形晶片（兩平面）輻射聲場(chǎng)聲壓分布（數(shù)值模擬）Xi'anPolytechnicUniversity24三、縱波聲場(chǎng)近場(chǎng)區(qū)在兩種介質(zhì)中的分布Xi'anPolytechnicUniversity25例題：用f=2.5MHz，Ds=14mm的縱波直探頭水浸法檢測(cè)鋼板。已知水層厚度為20mm，水中聲速為c1=1480m/s，c2=5900m/s，求鋼中近場(chǎng)長(zhǎng)度。Xi'anPolytechnicUniversity26四.實(shí)際聲場(chǎng)與理想聲場(chǎng)的比較Xi'anPolytechnicUniversity27序號(hào)實(shí)際聲場(chǎng)理想聲場(chǎng)1差異固體介質(zhì)，聲壓不能線性疊加液體介質(zhì)，聲壓可進(jìn)行線性疊加脈沖波非均勻激發(fā)連續(xù)波均勻激發(fā)不完全干涉或不干涉完全干涉，干涉大頻率不是單一的頻率單一衰減系數(shù)α≠0衰減系數(shù)α=02<N極大值Pmax<2P0；極小值Pmin>0極大值Pmax=2P0；極小值Pmin=0波動(dòng)幅度小波動(dòng)幅度大3>N軸線上聲壓?jiǎn)握{(diào)遞減4>3N軸線上聲壓：Px=P0FS/λx擴(kuò)散角：θ0=sin-1(1.22λ/D)實(shí)際聲場(chǎng)的波束比理想聲場(chǎng)波束指向性更好，波束更集中。近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度：N=

D2/4λ；未擴(kuò)散區(qū)：b=

1.64NXi'anPolytechnicUniversity28

假想橫波波源橫波聲場(chǎng)的結(jié)構(gòu)3.2橫波發(fā)射聲場(chǎng)Xi'anPolytechnicUniversity29一.假想橫波波源Xi'anPolytechnicUniversity302.近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度第二介質(zhì)中近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度二.橫波聲場(chǎng)的結(jié)構(gòu)1.波束軸線上的聲壓Xi'anPolytechnicUniversity31[例1]試計(jì)算2.5MHz、14mm×16mm方晶片K1.0和K2.0橫波探頭的近場(chǎng)長(zhǎng)度N（鋼中橫波聲速為cS=3230m/s）。

解：Xi'anPolytechnicUniversity32

[例2]有一2.5MHz、10mm×12mm方晶片K2.0橫波探頭，其有機(jī)玻璃中入射點(diǎn)至晶片的距離為12mm，求此探頭在鋼中的近場(chǎng)長(zhǎng)度N'（鋼中橫波聲速為cS=3230m/s）解：Xi'anPolytechnicUniversity33(1)縱波斜入射3.半擴(kuò)散角Xi'anPolytechnicUniversity34(2)橫波垂直入射注意：在條件相同的條件下，橫波聲束的指向性比縱波好，橫波能量更集中一些。Xi'anPolytechnicUniversity35

平底孔回波聲壓圓柱形反射體球孔回波聲壓大平底回波聲壓圓柱面回波聲壓3.4規(guī)則反射體的回波聲壓Xi'anPolytechnicUniversity36

當(dāng)量法：是指在同樣的檢測(cè)條件下，當(dāng)自然缺陷回波與某人工規(guī)則反射體回波等高時(shí)，則該人工反射體的尺寸就是此自然缺陷的當(dāng)量尺寸。

反射法：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。Xi'anPolytechnicUniversity37一.平底孔回波聲壓Xi'anPolytechnicUniversity38二.圓柱形反射體

圓柱形反射體的回波聲壓：是指超聲波垂直入射到圓柱側(cè)面時(shí)的小直徑圓柱形反射體的反射聲壓。

橫孔：是實(shí)際檢測(cè)中，在試塊中制作軸線平行于入射面人工鉆孔，用側(cè)面做反射體，稱為橫孔。根據(jù)橫孔的長(zhǎng)度與入射聲束尺寸的關(guān)系，橫孔分為長(zhǎng)橫孔和短橫孔。Xi'anPolytechnicUniversity391.長(zhǎng)橫孔回波聲壓Xi'anPolytechnicUniversity40問(wèn)題：試用球面波在柱面上的反射聲壓公式推導(dǎo)此聲壓公式。Xi'anPolytechnicUniversity412.短橫孔回波聲壓Xi'anPolytechnicUniversity42三.球孔回波聲壓Xi'anPolytechnicUniversity43問(wèn)題：試用球面波在球面上的反射聲壓公式推導(dǎo)此聲壓公式。Xi'anPolytechnicUniversity44四.大平底回波聲壓Xi'anPolytechnicUniversity45五.圓柱面回波聲壓

這里指的是大直徑圓柱面反射，即聲束直徑小于圓柱體直徑，且聲束沿徑向入射到圓柱面的反射。Xi'anPolytechnicUniversity461.實(shí)心圓柱體Xi'anPolytechnicUniversity472.空心圓柱體Xi'anPolytechnicUniversity48Xi'anPolytechnicUniversity49

通用AVG曲線的基本原理實(shí)用AVG曲線的基本原理3.5AVG曲線Xi'anPolytechnicUniversity

AVG曲線：是描述規(guī)則反射體距聲源的距離(Abstand)-回波高度（Verstarnung）及當(dāng)量尺寸（GroBe）之間關(guān)系的曲線。A、V、G是德文距離、增益和大小三詞的字頭。英文中的縮寫(xiě)為DGS（distance-Gain-Size）。AVG曲線可用于對(duì)缺陷定量和靈敏度調(diào)整。50一.通用AVG曲線的基本原理

通用AVG曲線對(duì)規(guī)則反射體距聲源和缺陷的當(dāng)量尺寸進(jìn)行了歸一化，從而能夠適用于不同規(guī)格的探頭。理論依據(jù)是圓盤(pán)聲源軸線上遠(yuǎn)場(chǎng)中的聲壓公式和規(guī)則反射體反射回波的聲壓公式。Xi'anPolytechnicUniversity511.基本原理：對(duì)于A型脈沖反射式檢測(cè)儀，熒光屏上的波高與聲壓成正比，則有2.

歸一化處理(消除聲程、晶片尺寸和共振頻率等對(duì)缺陷定量的影響)Xi'anPolytechnicUniversity52用橫坐標(biāo)表示歸一化距離A，縱坐標(biāo)表示相對(duì)波高V1和V2，分別利用(5)式和(6)式作圖，即可得到大平底和平底孔回波高度與距離的關(guān)系曲線。圖中最上面一根直線代表底波高度線，以下每一組曲線代表缺陷波高度。這就是AVG曲線，它只適用于遠(yuǎn)場(chǎng)情況（x>3N）。

Xi'anPolytechnicUniversity53Xi'anPolytechnicUniversity通用平底孔AVG曲線歸一化距離A54[例1]用2.5MHz、φ20mm直探頭檢測(cè)厚度為400mm的餅形鋼制鍛件(cl=5900m/s)，檢測(cè)中在170mm處發(fā)現(xiàn)一缺陷，其回波高比平底回波低10dB。問(wèn):(1)

如何利用底波調(diào)整φ2

靈敏度？

(2)

求缺陷的當(dāng)量大小？3.作用：調(diào)整靈敏度；確定缺陷當(dāng)量尺寸。解：根據(jù)題設(shè)可得

3N=3×42.4=127.2mm<170mm，所以可以應(yīng)用AVG曲線法。Xi'anPolytechnicUniversity55Xi'anPolytechnicUniversity

查AVG曲線：過(guò)A=9.4處作垂線交G=0.1曲線于N點(diǎn)，交B線于M

點(diǎn)，則MN對(duì)應(yīng)的dB值為大平底與φ2平底孔的回波分貝差:△=B-φ2=-16-(-60)=44dB求歸一化距離A和歸一化尺寸G:

歸一化距離A

調(diào)整靈敏度：調(diào)節(jié)儀器使第一次底波B1達(dá)基準(zhǔn)波高(如滿刻度的80%)，在此基礎(chǔ)上提高44dB。(1)調(diào)節(jié)靈敏度：(9.4,-16)(9.4,-60)56

查AVG曲線：過(guò)比M點(diǎn)低10dB的P點(diǎn)作水平線，與A=4的垂線相交于Q點(diǎn)，則Q點(diǎn)對(duì)應(yīng)的G值為：Gf=0.3。求歸一化距離Af：(2)求缺陷當(dāng)量尺寸：(9.4,-26)(9.4,-16)

所以缺陷的當(dāng)量尺寸為：

Df=Gf×DS=0.3×20=6mmXi'anPolytechnicUniversity歸一化距離A57[例2]

用2.5P14Z探頭檢測(cè)厚度為420mm餅形鋼制工件，鋼中cl=5900m/s。利用底波調(diào)整φ2平底孔檢測(cè)靈敏度。檢測(cè)中在210mm處發(fā)現(xiàn)有一缺陷，其回波比底波低26dB，利用AVG曲線確定此缺陷的當(dāng)量大小。Xi'anPolytechnicUniversity解1：根據(jù)題設(shè)可得

3N=3×21=63mm<210mm，所以可以應(yīng)用當(dāng)量計(jì)算法。58Xi'anPolytechnicUniversity

查AVG曲線：過(guò)A=20處作垂線交G=0.14曲線于b點(diǎn)，交B線于a點(diǎn)，則ab對(duì)應(yīng)的dB值為大平底與φ2平底孔的回波分貝差:△=B-φ2=-22-(-66)=44dB求歸一化距離A和歸一化尺寸G:

歸一化距離A

調(diào)整靈敏度：調(diào)節(jié)儀器使第一次底波B1達(dá)基準(zhǔn)波高(如滿刻度的80%)，在此基礎(chǔ)上提高44dB。(1)調(diào)節(jié)靈敏度：a(20,-22)b(20,-66)59

查AVG曲線：過(guò)比a點(diǎn)低26dB的c點(diǎn)作水平線，與A=10的垂線相交于d

點(diǎn)，則d點(diǎn)對(duì)應(yīng)的G值為：Gf=0.2。求歸一化距離Af：(2)求缺陷當(dāng)量尺寸：

所以缺陷的當(dāng)量尺寸為：

Df=Gf×DS=0.2×14=2.8mmXi'anPolytechnicUniversitya(20,-22)c(20,-48)d(10,-48)歸一化距離A60平底孔AVG曲線

通用AVG曲線的局限性：在使用時(shí)要反復(fù)進(jìn)行歸一化的距離和缺陷大小與當(dāng)量大小之間的換算，很不方便。二、實(shí)用AVG曲線的基本原理

實(shí)用AVG曲線：以聲程(mm)為橫坐標(biāo)、相對(duì)波高(dB)為縱坐標(biāo)，以平底孔直徑(mm)標(biāo)注各當(dāng)量。Xi'anPolytechnicUniversity61以晶片直徑為D=20mm，頻率f=2.5MHz的縱波直探頭在鋼中(cl=5900m/s)的AVG曲線為例，介紹縱波平底孔實(shí)用AVG曲線的制作。步驟：(1)

確定基準(zhǔn)靈敏度：例如距離x=750mm，φ2mm平底孔回波高度為0dB。(2)

計(jì)算同孔徑不同距離的平底孔的回波dB差。1.實(shí)用AVG曲線的制作方法代入距離x2=750mm，分別計(jì)算x1=100，200，…時(shí)的Δ值。以Δ為縱坐標(biāo)，x