第二章 超声波检测2.pptVIP

* * 2.4 超声波的发射声场 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，以一定的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。 2.4.1纵波声场 * * 1)圆盘波源轴线上声压分布 当波源晶片直径D大于波长时，辐射器可以看作无数个尺寸很小的子波源组成的平面波源。子波源（点源）作相位相同、振幅相同的振动，各自发出波阵面为球面的子波，各子波源发出频率相同的连续正弦波，依据理论计算可以求出晶片圆盘轴线上任一点处的声压。可以把声源上各个小面积都看做一个点源，将所有点源辐射的声波在该点处的声压叠加起来就是总声压。假如声波在液体中传播，只考虑纵波，可以直接线性相加。故在圆盘源轴线上的某一点的声压为： 为波源的起始声压； 为波源直径。 一. 圆盘波源辐射的纵波声场 * * 声压振幅为： 探伤仪上钢球反射脉冲高度反映声压分布。 * * 当 时，声压有数个极大值和极小值，其原因为声源表面上各点源辐射到轴线上某点的声压因波程差（相位差）不相同，有的同相位互相叠加而加强，有的相位相反互相抵消而减弱，因此在靠近声源 处以内出现几个最大值和最小值。 最后一个声压最大值处至声源的距离 为近场区。 取决于声源的尺寸和声波波长。 当 时，声压随距离的增加而 单调衰减，该范围为远场区。 * * A)近场区 声压具有最小值 声压具有最大值 当 时 此时 为近场区距声源距离 近场区的声压分布十分复杂，出现多次极大值与极小值。因此在近场区如有缺陷存在，其反射波极不规则，对缺陷的判读十分困难。 当 时 * * B）远场区 在声场中， 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 （ ）处，声压最大值为： * * 2)波束指向性和扩散角 超声波从声源（晶片辐射器）集中成束向前传播，往往集中在与晶片轴线成 半扩散角的锥体范围内强烈辐射出去，称为超声场的指向性。 当晶片直径为 ，超声波波长为 时，可证明 超声场中沿晶片中心轴线方向声压最大。轴线两侧声压会出现声压为零和多个极大值。将轴线两侧第一个声压零值点连接起来与轴线的夹角称半扩散角 。 愈小指向性愈好。 * * 指向性与声源直径和波长关系 当波长一定（即频率固定）时，半扩散角与晶片直径成反比。直径大，扩散角小，则指向性好。指向性好对于发现缺陷和准确定位都有利，分辨率会提高。直径一定时，波长越小（频率越高），指向角越小，指向性越好。 当晶片为正方形时（边长为 a），扩散角为 当晶片为长方形时（长为 a，宽为b），扩散角为 * * 指向性系数与声压的关系： 1）同一界面上各点的声压不同，轴线上的最高。 2）当θ θ0时，超声波的能量主要集中在半扩散角θ0以内， 2 θ0以内的波束称为主波束。只有当缺陷位于主波束内才可能被发现。 3）θ0＝arcsin1.22λ/D，若增加探头直径，提高探伤频率，可减小θ0有利于提高探伤灵敏度，但会增加近场区长度 * * 3)波束未扩散区和扩散区 在b内，各截面平均声压基本相同，因此薄板试块前几次底波相差无几。 超声波波源辐射的超声波是以特定的角度向外扩散的，但并不是从波源开始扩散的，而是在波源附近存在一个未扩散区b。 b＝1.64N * * 作业题7：若用f＝2.5MHz，Ds＝20mm的探头测波速CL＝5900m/s的钢制工件，则N、θ0及b分别为多少。 * * 二.矩形波源辐射的纵波声场 主波束呈四棱锥，同样存在近场区和半扩散 角，近场区轴线上的声压起伏变化。当距离充 分远时，轴线上的声压近似球面波变化规律。 * * 1)波源轴线上的声压 2)近场区长度 3)半扩散角 xoy平面内 xoz平面内 * * 3.近场区在两种介质中的分布 实际探伤中，如水浸探伤，近场区有可能分布在两种介质中，若水层厚度为L，此时钢中近场区长度为： N2为 分别为钢中近场区长度，水和钢中的波速，钢中波长。 * * 作业8：用2.5MHz、 Ф20mm的纵波直探头水浸探伤铝板，已知铝中近场区长度为20mm，铝中CL＝6260m/s，水中CL＝1480m/s，则水层厚度为多少？ * * 三 实际声场与理想声场的比较 理想声场：液体介质，波源作活塞振动，辐射连 续波等理想条件。 实际探伤往往是固体介质，波源非均匀激发，辐 射脉冲声波。 * * 1.近场区轴线上声压分布 实际声场脉冲波持续时间短，波源各点辐射的声波在声场中某点不完