第一章 超声检测物理基础 - 图文(6)

???s??a

为此，对平面波，如考虑材质衰减的因素声压的表达式为：

??x (1-38) Px?Pe0式中：x——声程

可见，超声波在介质中传导时，由于材质衰减的原因，其声压随着传导距离的增加而以指数规律衰减。

1.3 超声波的声场 sound field

超声换能器向介质中辐射超声波的区域称为声场，通常用声压分布来描绘。超声波的声场是了解声束形状和远场规则反射体的反射回波声压计算以及用计算法调整灵敏度和不连续性定量评定的理论基础。

1.3.1 超声纵波声场 longitudinal wave sound field

1、圆形声源辐射的连续纵波声场 (1) 声轴线上声压分布

圆形晶片在连续波信号均匀激励下，向无限大均匀理想液体介质中辐射超声波建立的声场，是最简单、最基本的声场。晶片中心处的法线称为声轴线。声轴线上每一点的声压是晶片每个微小单元辐射的声波在该点处的合成。声轴线上的声压的表达式为：

???D2??2p?x??2P0sin???x?x?? (1-39)

????4?????式中：P0 —— 声源的初始化声压

? —— 波长

D —— 圆形声源的直径

x —— 声轴线上某一点距声源的距离，即声程

声轴线上声压随与声源距离的变化规律可用如图1-27 表示。

P(x)/P0xx图1-27 声轴线上声压随与声源距离的变化规律

可见，声轴线上的声压在极大值(2P0)和极小值(0)间起伏变化。最后一个极大值点处与

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声源的距离称为近场长度，用N表示。经推导可得：

D2??2N?

4? 当D??时，可得用于工程实际中计算近场长度的简化公式

D2N? (1-40)

4?在近场长度以内的区域称为近场区，也叫菲涅尔区。在近场区内声束不扩散，但因干涉的原因，声轴线上声压起伏变化；在近场长度以外的区域称为远场区，也叫夫琅和费区。在远场区声束扩散，声轴线上的声压随距离单调下降。在足够远（x?3N）处，式1-38可简化为：

?D2A?P p?x??P (1-41) 004?x?x式中： A —— 晶片的面积

可见，在足够远处，声轴线上的声压与距离成反比，这正是球面波的扩散衰减规律，也正是规则反射体反射回波声压的计算、用计算法进行灵敏度的调整和不连续性当量评定计算的理论依据。

(2) 指向性

同样根据叠加原理，可推导出在足够远（x?3N）处声场中任意一点的声压分布为：

p?r,???P0A??J1?KRssin????? (1-42) ?r?KRssin??声压分布如图1-28所示。可见在足够远处，在与声源等距离的圆弧上，声轴线上的声压（也反映能量）最高，声场能量主要分布在以声轴线为中心的一定角度内，即主声束，也称主瓣；随着偏离声轴线角度的增加声压在0与极大值之间起伏变化，且能量很低，称为副瓣。这种声束集中向一个方向辐射的性质称为声场的指向性，用指向角或半扩散角?0表示，远场中第一个声压为零对应的半扩散角?0为：

?0?arcsin(1.22?D) (1-4

3)

半扩散角表示声场主声束的集中程度。超声检测时正是利用主声束探测不连续性的。半扩散角越大，声束扩散越严重，声场指向性越差，横向检测分辨率越差，不连续性定位误差

越大；半扩散角越小，声束扩散越小，声场指向性越好，横向检测分辨率越好， 不连续性定位误差越小。

从半扩散角表达式可知，检测频率越高，探头晶片越大，则半扩散角越小。

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图1-28 声场指向性示意图（圆盘形声源）

1—主声束 2—副瓣声束

2、脉冲纵波声场

以上是在理想液体介质中晶片在连续波的均匀激励下产生的纵波声场的理论计算结果，因而计算简单，结果清晰。但实际超声检测中大多数应用的是脉冲波法，即激励晶片的信号是脉冲波而不是连续波；激励时往往是非均匀激励，中间幅度大，边缘幅度小，而不是均匀激励；被检材料大多数为固体介质，而不是液体介质。经研究发现，实际的脉冲纵波声场与理论的连续波声场相比，远场基本相同；近场有差别。与连续波声场近场因干涉使声压剧烈起伏变化的情形不同，脉冲声场近场的声压分布较均匀，幅度变化较小，极大值点的数量也少。

经分析，其主要原因有：激励脉冲包含了许多频率成分，每个频率的信号激励晶片所产生的声场相互叠加，使总声压分布趋于均匀；声源的激励非均匀，中间幅度大，边缘幅度小，而干涉主要受边缘的影响大，所以非均匀激励时产生的干涉比均匀激励时的小的多。

1.3.2 超声横波声场 transverse wave sound field

在超声检测中通常利用折射和波型转换原理制作探头以获得横波，即晶片在发射信号的激励下产生纵波，该纵波在探头斜楔中传播并倾斜入射到斜楔与工件的界面，产生折射和波型转换，在工件中激励出横波声场。

1、近场长度

假设晶片的直径为D，则在斜楔中纵波声场的近场长度为：

D2A N1? (1-44) ?4?l1??l1式中：?l1 —— 斜楔中纵波波长 A——晶片面积

由于折射造成声波传播方向的改变，工件中横波的声束轴线与斜楔中的纵波声轴线不一致，可将横波声场想象成工件中的一个虚声源产生的，此虚声源的声轴线即为横波的声轴线如图1-29，根据投影关系，虚声源为椭圆，且长轴为D，短轴D为虚声源的面积A为：

''

cos?D，则此椭圆形sin?超声检测物理基础 第 28 页 共 35 页

A'?cos?A (1-45) sin?这样，在工件中虚声源产生的横波声场的近场长度为：

N2?式中：?t2 —— 工件中横波波长

根据两种不同介质声场的等效折算方法，斜楔中的纵波声程x1可折算成工件中横波声程x2：

A'??t2 (1-46)

x1x?2N1N2tg?x2?x1tg??x2?x1N2N1

假设斜楔中的纵波声程为b，则工件中的横波近场长度应为斜楔中的纵波近场长度的剩余部分的等效折算： N??N1?b?tg? (1-47) tg?当然，如果声程b大于近场长度N1，则在工件中已是横波的远场了。

D压电晶片（声源）OD1bD虚构横波波源Aa?B?介质1介质2

图1-29 斜探头横波声场分析

2、指向性

在图1-29所示的平面内，声束不再对称；在与之垂直且包含声束轴线的平面内声束对称于其轴线，半扩散角为

?0?arcsin(1.22

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?t2D') (1-48)

1.4 规则反射体的反射回波声压计算

sound pressure calculation of echo from simplified reflector

脉冲反射法是超声检测最常用的检测技术，它利用反射体的反射回波出现的位置、幅度和动态特征来评定不连续性的位置、大小和性质。所以，研究反射体的回波声压对不连续性的检测和评定十分重要。尤其在大尺寸工件的检测中，在一定的条件下可以不必使用试块，只根据回波声压的计算结果便可调整检测灵敏度及评定 …… 此处隐藏：1751字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……