第一章 超声检测物理基础 - 图文(7)

pB?P0A2?x (1-49)

可见，大平底的反射回波声压与距离成反比。

1.4.2 平底孔flat bottom-drilled hole

平底孔通常指将孔底加工成平面的圆柱孔，且孔径小于声束的有效直径，声波的传播方向与孔底反射声波垂直。平底孔是试块中常见的人工反射体，在纵波和横波检测中被用来模拟小的平面型不连续性。

如图1-31，设平底孔的孔底离探头距离为x，则声波到达孔底处的声压为：

p?P0A ?x由于孔径很小，可以近似认为孔底上各点的声压都相同。根据惠更斯原理，孔底可看成是新的声源，其表面声压即为以上计算的平底孔处的声压。该新声源辐射到扫查面处的声压即为平底孔的反射回波声压：

A'AA'?P022 (1-50) pd?p?x?x式中：A —— 探头晶片面积 A —— 平底孔孔底的面积

x —— 平底孔距探头的距离

可见，平底孔的反射回波声压与其面积成正比，与其距探头距离的平方成反比。

'P0PdPPDdx 图1-31 平底孔对超声波的反射

1.4.3 长横孔long side-drilled hole

长横孔通常指长度远大于声束有效直径而孔径则远小于声束有效直径的圆柱孔，声波的传播方向与孔的轴线垂直，以孔的圆周面反射声波。长横孔也是试块中常见的人工反射体，在横波检测中被用来模拟小的线性不连续性。

如图1-32，当声波入射到长横孔后，被孔的圆柱面反射，探头接收到的反射波声压为：

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p??P0式中：d —— 长横孔孔径

Ad (1-51)

?x8x可见，长横孔的反射回波声压与孔径的平方根成正比，与距离的3/2次方成反比。

图1-32 长横孔对超声波的反射

1.4.4 大直径圆柱体large diameter cylinder

大直径圆柱体通常指长度和孔径都远大于声束有效直径的圆柱体，声波的传播方向与孔的轴线垂直。超声检测中有实心圆柱体和空心圆柱体两种情形。

1、实心圆柱体

如图1-33a，探头稳定耦合在圆柱表面，声波沿径向入射，若圆柱体直径D?3N，则实心圆柱体的凹圆柱面的反射回波声压为：

pD?P0A (1-52) 2?D与式1-49比较可知，实心圆柱体的圆柱面的反射回波声压与相同声程的大平底相同。 2、空心圆柱体

如图1-33b，假设壁厚x?3N，空心圆柱体的检测有两种扫查位置： 探头在外圆周面扫查时，则内圆周凸面的反射回波声压为： pD?P0式中：d —— 空心圆柱体内径 D —— 空心圆柱体外径

探头在内圆周面扫查时，则外圆周凹面的反射回波声压为： pD?P0Ad (1-53)

2?xDAD (1-54)

2?xd比较以上两式可知，外周面扫查时，内周面的反射回波声压小于大平底的声压，这是因为凸面发散的结果；内周面扫查时，外周面的反射回波声压大于平底孔的声压，这是因为凹面聚焦的结果。

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D

a) 实心圆柱体的反射 b) 空心圆柱体的反射

图1-33 大直径圆柱体的反射

1.5 AVG曲线 AVG curve

AVG曲线是德国人首先提出的，它是经过计算和实测得到的一组描述声程（A）、波幅(V)和当量大小(G)之间的关系曲线，英语为DGS（Distance-Gain-Size）曲线。利用AVG曲线可以调整灵敏度和当量评定不连续性的大小。

1.5.1 理论AVG曲线theoretic AVG curve

理论AVG曲线包含两部分，声程大于等于3N部分由计算法推导，其依据是圆形晶片连续纵波声场远场声轴线上声压分布规律，以及平底孔的反射回波声压计算方法，同时假设材料对声能的衰减可以忽略；声程小于3N部分则由实测得到。

在x?3N的远场区，大平底和平底孔的反射回波声压分别为：

?D2 pB?P0

8?x?D2?d2? pd?P0 4?x4?x将声程作归一化处理

A?将平底孔的直径作归一化处理：

G?x (1-55) Nd (1-56) D假设仪器的垂直线性很好，则反射体的回波波高与其声压成正比，大平底和平底孔的回波与探头表面回波的高度差分别为： 大平底：

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VB?20lgB?平底孔：

Vd?20lgpP020lg?2?2A0 l g (1-57)

pd?G?40lg?40lg??40lgG?40lgA (1-58) P0A

图1-34 纵波平底孔理论AVG曲线

以对数横坐标表示归一化声程，以算术纵坐标表示相对波幅，根据1-57式即可得到大平底的波幅与归一化声程间的关系，即图中的B线；根据1-58式即可得到一组尺寸不同的归一化平底孔波幅与归一化声程之间的关系。在x?3N即A?3的区域，由于声压分布不符合球面波的规律，所以不能用计算法得到，用实测的方法绘出，如图1-34。

1.5.2 实用AVG曲线practical AVG curve

理论AVG曲线由于采用了归一化的声程和平底孔尺寸，所以适合于不同的探头，具有较好的通用性。但使用时要反复进行归一化计算，很不方便。因此，又用一种以声程为横坐标，以平底孔或长横孔的直径表示反射体大小的实用AVG曲线，如图1-35。

图1-35 实用AVG曲线

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通常这种AVG曲线用某特定的探头在试块上以实测法绘制，与理论AVG曲线不同，实用曲线只适用于特定的探头（频率和直径）和试块材料。实用AVG曲线简单明了、实用方便。

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