第三章 超声波发射声场与规则反射体分回波声压

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第三章 超声波发射声场与规则反射体分回波声压

1.圆盘波源辐射的纵波声场：在不考虑介质衰减的条件下，当离波源较远处轴线 上的声压与距离成反比，与波源面积成正比。P=P,πRs'/λx=PFs/λx

2.近场区：N≈Ds/4λ=Fs/π λ近场区长度与波源面积成正比，与波长成反比。在 其它检测条件不变的情况下，f越高，近场区增大。

3.远场区当x>3N时，声压与距离成反比，近似球面波的规律。

4.超声场横截面的声压分布：在x<N的近场区，中心轴线上的声压不一定最大： 在x>N的远场区，轴线上的声压最高，偏离中心声压逐渐降低，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以外进行就是这个原因。

5.波束的指向性和半扩散角1.指向性系数DC≤1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原因。2.半扩散角θ。园盘源辐射

的纵波声场的第一零值发散角。θo=arcsin1.12λDs=70λDs 3.当0>0o时，

|DC|<0.15,说明半扩散角以外的声压很低，超声波的能量主要集中在半扩散角以 内。200以内的波束称为主波束(或主声束),只有当缺陷位于主波束范围时 才容易被发现。以确定的扩散角向固定的方向辐射超声波的特性称为声束指向

性。4.由0o=70λ/Dg可知，增加探头直径Dg,提高探伤频率f,半扩散角0o将 减小，即可以改善声束的指向性，使超声波的能量更加集中，有利于提高探伤灵 敏度。但由N=Ds2/4λ可知，增加探头直径Ds和提高探伤频率f,近场区长度增 加，对探伤不利。因此，在实际探伤中，要综合考虑Ds和f对0o及N的影响 合理选择Ds和f。一般是在保证探伤灵敏度的前提下尽可能减小近场区长度

6.未扩散区：b=1.64N,在未扩散区b内，波束不扩散，不存在扩散衰减，各截面 声压基本相同。因此，薄板试块前几次底波相差无几。到波源的距离x>b的区 域称为扩散区，扩散区内波束扩散，存在扩散衰减。

7.矩形波源辐射的纵波声场1.波束轴线上的声压：r≥3N时，P=P,Fs/λx Fs—矩形波源的面积F=4ab 2.矩形波源的近场区的长度：N=Fs/π入。3. 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X方向的半扩散角为：θo=arcsinλ/2a=57°λ/2a Y方向的半扩散角为：θo=arcsinλ/2b=57°A/2b

8、近场区在两种介质中的分布：公式N=Ds/4λ只适用均匀介质。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L,则钢中剩余近场区长度为：N=M-Lc,/c,=Ds'/4λ-Lc?/c?

9.横波声场目前常用的横波探头，是使纵波斜入射到界面上，通过波形转换来 实现横波探伤的，当入射角在第一、第二临界角之间时，纵波全反射，第二介质 中只有折射横波。横波声场同纵波声场一样由于波的干涉存在近场区和远场 区，当x23N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，类似纵波声场。当横波探头晶片尺寸一定时，K值增大，近场区长度将减 小。

10.横波轴线上的声压

当x≥3N时，横波声场波束轴线上的声压为： P=KF,00Sβ/C0Sa λx

由以上公式可知，横波声场中，当x≥3N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，类似纵波声场。

11.横波声场近场区长度为，N=F,C0Sβ/πλC0Sa横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，第二介质中的近场区长度为：N′=F,C0S β/πλC0S a-L?tan a/tan β

12.半扩散角在声束轴线与界面法线所决定的入射平面内，声束不再对称于声束 轴线，而是声束上半扩散角0上大于声束下半扩散角0下

在通过声束轴线与入射平面垂直的平面内，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：θo=arcsin1.12λDs≈70λJDs 对于矩形正方形声源： 0o=arcsinλ/2a=57λ2a

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。

13.盲区不是近场区，盲区是脉冲宽度+仪器的阻塞效应。横波探头晶片尺寸一 定，K值增大，近场区长度将减小。频率越高，指向性越好：小晶片指向性差 大晶片指向性好：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

14.规则反射体的回波声压：超声波探伤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

15.平底孔回波声压在X≥3N平底孔反射波声压P?=P?F?F/λx2Po.波源的 起始声压：Fs波源的面积，F平底孔缺陷的面积：λ:波长，x平底孔至波源的距 离由上式可知，当检测条件(Fs,λ)一定时，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。任意两个距离直径不同的平底 孔反射波声压回波分贝差为：△=201g(P?/Pn)=401gD?X?/D?X?

平底孔直径一定，距离增加一倍，其回波下降12db。平底孔距离一定，直 径增加一倍，其回波升高12db 16.长横孔回波声压：P=(P?F?/2Ax)(D-/2x)2 Dr长横孔的直径，当x≥3N, 当探测条件(FS,λ)一定时，长横孔回波声压与长横孔的直径平方根成 正比，与距高的二分之三次方成反比。 任意两个距离、直径不同的长横孔回波 分贝差为：△u=201g(Pa/P?)=101gD?X/D?X,长横孔直径一定，距离增加

一倍，其回波下降9db。长横孔距离一定，直径增加一倍，其回波升高3 db

17.短横孔回波声压：P=(P?F?/2 λx)(LIx)(D/λ)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X≥3N时，当探测条 件(FS,λ)一定时，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

任意两个距离、长度和直径不同的短横孔回波分贝差为：△=201g(Pa/Pa)= 101gLaD?X?/LD?X? 短横孔直径和长度一定，距离增加一倍，其回波下降12db,与平底孔变化规律 相同。短横孔直径和距离一定，长度增加一倍，其回波上升6db。短横孔长度和 距高一定，直径增加一倍，其回波升高3 db

18.大平底面回波声压：Pa=P?F?/2λx当X≥3N时，超声波在与波束垂直、表 面光洁的大平底面上的反射就是球面波在大平面上的反射 当探测条件(FS,λ))一定时，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：△,-201g(P/P)=201gX/X 大平底面距高增加一倍，其回波下降6db。

19.球孔回波声压：P=P?F?D?/4λx2设球孔直径为Df,超声波垂直入射，全反射， Df足够小。当X≥3N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，当探测条件(Fs,λ)一定时，球孔回波声压与距离的平方成反比，与球孔 直径成正比

任意两个直径、距离不同的球孔的回波分贝差为：△n=201g(Pa/Pn)= 201gD.X/DX2,球孔直径一定，距离增加一倍，其回波下降12 dB,与平底孔变 化规律相同。球孔距离不变，直径增加一倍，其回波上升6 dB

20.实心圆柱体曲底面回波声压：PB=PaF/2λx这说明实心圆柱体反射波声压 与大平底面回波声压相同

①.空心圆柱体曲底面回波声压-外柱面径向探伤：Pa=(P?F.2λx)(d/D)122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。②.空心圆柱体曲底面回波声压-内柱面径向探伤：Pa=(P?F?/2 λ x)(D/d)2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。

21以上各种规则反射体的反射波声压公式均未考虑介质衰减，如果考虑介质衰 减，则所有公式均应增加：e 20 x:反射体至探头的距离，x≥3N a: 介质单程衰减系数，dB/mm