无损检测教学资料（李灼华）2.4由圆形压电晶片.pptVIP

* * 2.4.1圆形压电晶片声场中的声压 2.4由圆形压电晶片产生的声场简介(活塞源声场) 超声检测中使用的超声波探头，其主要部件是用压电材料做的压电晶片，在压电晶片的两表面涂有导电银层作为电极，致使晶片表面上各点都具有相同的电位。将晶片接于高频电源时，晶片两面便以相同的相位产生拉伸或压缩效应，发射超声波的晶片恰如活塞作往复运动一样辐射出声能。因此它相当于一个活塞声源，通常将直探头所产生的超声场作为圆形活塞声源来处理。 2.4.1圆形压电晶片声场中的声压 2.4由圆形压电晶片产生的声场简介(活塞源声场) 如图1—15所示，可将圆形声源视为是由无限多的小声源dS组成，每个小声源都可在2p半径空间辐射球面波，而处于声场中任一点M的声压等于所有每一个小声源向该点所辐射声能的叠加。若晶片的半径为a，那么，晶片上任一个小面积元dS在该点所产生的声压为： 2.4.1圆形压电晶片声场中的声压 2.4由圆形压电晶片产生的声场简介(活塞源声场) 可以证明，在声场中该点的总声压为： ? ? 式中 J1——第一类一阶贝塞尔函数， q——x方向与法线夹角。 2.4.1圆形压电晶片声场中的声压 2.4由圆形压电晶片产生的声场简介(活塞源声场) 图1—15圆盘源远场中任意一点的声压推导图 2.4.1圆形压电晶片声场中的声压 2.4由圆形压电晶片产生的声场简介(活塞源声场) 在圆形晶片声场中心轴线上某点处的声压为(见图1—16)： (1-41) 式中，p0——晶片表面的声压，晶片直径D=2a，x——声程。 若用晶片的面积FD代人式(1-41)，则有： 式(1—41)和(1—42)是描述直探头中心轴线上，声压分布的公式。在采用当量法超声波缺陷定量时，它是最基本的公式。 2.4.1圆形压电晶片声场中的声压 2.4由圆形压电晶片产生的声场简介(活塞源声场) 图1-16圆盘源轴线上声压推导图 2.4.2近场区、远场区和超声波的指向性 2.4由圆形压电晶片产生的声场简介(活塞源声场) 在超声检测中用压电晶片作振源，借助于晶片的振动向工件(弹性介质)中发射超声波，并以一定速度由近及远地传播，使工件中充满超声场。声场因晶片大小、振动频率和传播介质的不同而使声压和声能产生不同的分布状况。 从式(1-42)可知，圆形活塞声源轴线上的声压是声程工的正弦函数。由于正弦函数最大值为1，所以声压最大值为2p；正弦函数最小值为0，声压最小值也为0。 2.4.2近场区、远场区和超声波的指向性 2.4由圆形压电晶片产生的声场简介(活塞源声场) 当x0时： (1—43) 若轴线上的声压p为最小值，令sin(np)=0，可以证明： (1—44) 式中，n=1、2、……D／2l，且在声源的声束轴线上具有n个最小值。 2.4.2近场区、远场区和超声波的指向性 2.4由圆形压电晶片产生的声场简介(活塞源声场) 若轴线上声压p具有最大值，令sin(2m+1)p/2=1，可以证明： (1—45) 式中，m=0、1、2、…D／2l，且在声束轴线上有(m+1)个最大值。 当n=0，对应此值至振源的距离x=N，则： (1—46) 当D≥l时，式(1-46)中的(l／4)可以忽略，则有： (1—47) 2.4.2近场区、远场区和超声波的指向性 2.4由圆形压电晶片产生的声场简介(活塞源声场) 在声场中，称xN的区域为声源的近场区，最后一个声压最大值至声源的距离N称为近场长度。在近场区内，由于声源表面上各点辐射至被考察点的波程差大，所引起的声压振幅差和相位差也大，且它们彼此互相干涉，结果使近场区的声压分布十分复杂，出现很多极大值与极小值(见图1—17)。因此在近场区内如有缺陷存在，其反射波极不规则，对缺陷的判断十分困难。 2.4.2近场区、远场区和超声波的指向性 2.4由圆形压电晶片产生的声场简介(活塞源声场) 在声场中，XN时的区域为远场区。在远场区，声压随距离增加而减小。 声源轴线上距离为X处(此时q=0)声压p的最大值为： （1-48） 图1—17 近场区截面声压分布