1、 超聲波源發(fā)射的超聲場，具有特殊的結(jié)構(gòu)。只有當(dāng)缺陷位于超聲場內(nèi)時，才有可能被發(fā)現(xiàn)。 由于液體介質(zhì)中的聲壓可以進(jìn)行線性疊加，并且測試方便，因此對聲場的理論分析研究一般從流體介質(zhì)入手，然后在一定條件下過渡到固體介質(zhì)。 又由于我們目前廣泛應(yīng)用脈沖反射法檢測，此因本章還討論了各種規(guī)則反射體的回波聲壓。 1 波源軸線上的聲壓分布波源軸線上的聲壓分布 如圖31所示，將圓盤聲源看成活塞聲源，設(shè)該活塞聲源上各點(diǎn)以同相位、同速度的簡諧振動輻射聲能。 圓盤可以看成是由無數(shù)多個面積為dS的小面積元組成，每個小面積元都是向半空間輻射球面波的點(diǎn)聲源 點(diǎn)聲源滿足kr0N的區(qū)域，聲壓隨距離增加而單調(diào)減的區(qū)域，聲壓隨距離增加

2、而單調(diào)減少，稱為遠(yuǎn)場區(qū)少，稱為遠(yuǎn)場區(qū) 。當(dāng)。當(dāng) 時，聲壓近似球面時，聲壓近似球面波的規(guī)律。這是因?yàn)榫嚯x足夠大時，波源各點(diǎn)至波的規(guī)律。這是因?yàn)榫嚯x足夠大時，波源各點(diǎn)至軸線上某點(diǎn)的聲程差很小，引起的相位差也很小，軸線上某點(diǎn)的聲程差很小，引起的相位差也很小，這時干涉現(xiàn)象可以忽略不計。這時干涉現(xiàn)象可以忽略不計。Nx3 2 超聲場截面的聲壓分布超聲場截面的聲壓分布 橫截面的聲壓分布：在近場區(qū)內(nèi)的中心軸線上存在聲壓橫截面的聲壓分布：在近場區(qū)內(nèi)的中心軸線上存在聲壓為零的截面，如圖所示為零的截面，如圖所示0.5N處，但偏離中心較高。在處，但偏離中心較高。在xN的遠(yuǎn)場區(qū)，中心最高，兩邊漸漸低，規(guī)定的遠(yuǎn)場區(qū)，中心

3、最高，兩邊漸漸低，規(guī)定2N以外測以外測定聲束偏離和探頭定聲束偏離和探頭K值才準(zhǔn)確。值才準(zhǔn)確。圖圖33，4 聲束橫截面聲壓分布聲束橫截面聲壓分布 3波束的指向性和半擴(kuò)散角波束的指向性和半擴(kuò)散角 波源在充分遠(yuǎn)處任意一點(diǎn)的聲壓波源在充分遠(yuǎn)處任意一點(diǎn)的聲壓P(r，)與波源與波源軸線上同距離處聲壓軸線上同距離處聲壓P（r, 0）之比，稱為指向性）之比，稱為指向性系數(shù)，如下圖所示，用系數(shù)，如下圖所示，用DC表示：表示：圖圖36 遠(yuǎn)場中任意一點(diǎn)聲壓推導(dǎo)圖遠(yuǎn)場中任意一點(diǎn)聲壓推導(dǎo)圖 點(diǎn)波源點(diǎn)波源ds在至波源距離遠(yuǎn)處任意點(diǎn)在至波源距離遠(yuǎn)處任意點(diǎn)M（r, )處引處引起的聲壓為：起的聲壓為： 整個圓盤波在點(diǎn)整個圓盤波

4、在點(diǎn)M（r, )處引起的總聲壓幅值為：處引起的總聲壓幅值為： 式中：式中：J1為一階為一階Bessel函數(shù)函數(shù) dSkrtjjerkPdP)(20sin)sin(2sin)sin(221010ssSsSmkRkRJrFPkRskRJrkFPP)!1( !2) 1()(121201kkyyJkkkk 指向性系數(shù)：指向性系數(shù)： 令令 ，則，則 sin)sin(2)0 ,(),(1ssCkRkRJrPrPDsinskRy .! 324! 1221)(2531yyyyJDC DC與與y的關(guān)系曲線如下圖所示：的關(guān)系曲線如下圖所示：圖圖37 源盤波束指向性示意圖源盤波束指向性示意圖由圖可知以下結(jié)論：由圖可

5、知以下結(jié)論：（1）。這說明超聲場中至波源充分遠(yuǎn)處同一橫截面上）。這說明超聲場中至波源充分遠(yuǎn)處同一橫截面上各點(diǎn)的聲壓是不同的，以軸線上的聲壓為最高。實(shí)際探各點(diǎn)的聲壓是不同的，以軸線上的聲壓為最高。實(shí)際探傷中，只有當(dāng)波束軸線垂直于缺陷時，缺陷回波最高就傷中，只有當(dāng)波束軸線垂直于缺陷時，缺陷回波最高就是這個原因。是這個原因。（2）當(dāng)）當(dāng)y=kRssin=3.73,7.02,10.17,時，時，Dc=P(r，)/P(r，)=0，即，即P(r，)=0。這說明圓盤源輻射的縱波。這說明圓盤源輻射的縱波聲場中存在一些聲壓為零的圓錐面。聲場中存在一些聲壓為零的圓錐面。由由y=kRssin=3.73得：得： 0a

6、rcsin1.22/Ds0-圓盤波輻射縱波聲場的第一零值發(fā)散角，即半擴(kuò)散角。圓盤波輻射縱波聲場的第一零值發(fā)散角，即半擴(kuò)散角。（3）當(dāng)）當(dāng)y3.73，即，即0時，時，|Ds|b的區(qū)域稱為擴(kuò)散區(qū)，擴(kuò)散區(qū)內(nèi)波束擴(kuò)散衰減。的區(qū)域稱為擴(kuò)散區(qū)，擴(kuò)散區(qū)內(nèi)波束擴(kuò)散衰減。 20200)2(222. 1sinDbDDsNDbs64. 144. 223）例：若用）例：若用f=2.5MHz，探頭晶片直徑，探頭晶片直徑Ds=20mm的探頭的探頭檢測聲速檢測聲速CL=5900m/s的鋼工件，那么的鋼工件，那么N、 0和和b分別分別為為)( 5 .694 .4264. 164. 126. 8105 . 2201059007

7、070704 .421059004105 . 2204463036222mmNbfDCDCfDDNsLsLss 矩形波源作活塞振動時，在液體介質(zhì)中輻射的縱波聲場同樣存在近場區(qū)矩形波源作活塞振動時，在液體介質(zhì)中輻射的縱波聲場同樣存在近場區(qū)和未擴(kuò)散角。近場區(qū)內(nèi)聲壓分布復(fù)雜，理論計算困難。遠(yuǎn)場區(qū)聲源軸和未擴(kuò)散角。近場區(qū)內(nèi)聲壓分布復(fù)雜，理論計算困難。遠(yuǎn)場區(qū)聲源軸線上任意一點(diǎn)線上任意一點(diǎn)Q處的聲壓用液體介質(zhì)中的聲場理論可以導(dǎo)出，其計算處的聲壓用液體介質(zhì)中的聲場理論可以導(dǎo)出，其計算公式為：公式為：式中式中Fs矩形波源面積，矩形波源面積，F(xiàn)s=4ab。 對上式特殊情況進(jìn)行討論可知對上式特殊情況進(jìn)行討論可知1

8、）當(dāng)）當(dāng)= =0時，遠(yuǎn)場軸線上某點(diǎn)的聲壓為：時，遠(yuǎn)場軸線上某點(diǎn)的聲壓為：sin)sinsin(cossin)cossinsin(r)(S0KbKbKaKaFP，r，Pr)00(S0FP，r，P 2）當(dāng)當(dāng)=0時，時， YOZ平面內(nèi)遠(yuǎn)場某點(diǎn)的聲壓為：平面內(nèi)遠(yuǎn)場某點(diǎn)的聲壓為：這時在這時在YOZ平面內(nèi)的指向性系數(shù)平面內(nèi)的指向性系數(shù)Dr為：為： Dr與y的關(guān)系曲線如圖的關(guān)系曲線如圖311所示。所示。sin)sinsin(r)0(S0KbKbFP，r，PyyKbKb，r，P，r，PDrsinsin)sinsin()00()0(圖圖311 矩形源矩形源Dr與y的關(guān)系曲線示意圖的關(guān)系曲線示意圖 由圖可知，當(dāng)由

9、圖可知，當(dāng)y= 時，時， Dr 0，這時對應(yīng)的，這時對應(yīng)的YOZ平面內(nèi)半平面內(nèi)半擴(kuò)散角為：擴(kuò)散角為：同理可以推出同理可以推出XOZ平面內(nèi)半擴(kuò)散角為：平面內(nèi)半擴(kuò)散角為： 由以上論述可知，矩形波源輻射的縱波聲場與圓盤源不同，由以上論述可知，矩形波源輻射的縱波聲場與圓盤源不同，矩形波源有兩個不同的半擴(kuò)散角，其聲場為矩形。矩形波矩形波源有兩個不同的半擴(kuò)散角，其聲場為矩形。矩形波源的近場區(qū)長度為源的近場區(qū)長度為bb2572arcsin0aa2572arcsin0SFN 公式公式 只適用均勻介質(zhì)。實(shí)際檢測中，有時近場區(qū)分布只適用均勻介質(zhì)。實(shí)際檢測中，有時近場區(qū)分布 在兩種不同的介質(zhì)中，如教材圖在兩種不同的介質(zhì)中，如教材圖313所示的水浸檢測，超所示的水浸檢測，超聲波是先進(jìn)入水，然后再進(jìn)入鋼中。當(dāng)水層厚度較小時聲波是先進(jìn)入水，然后再進(jìn)入鋼中。當(dāng)水層厚度較小時,近近場區(qū)就會分布在水、鋼兩種介質(zhì)中。場區(qū)就會分布在水、鋼兩種介質(zhì)中。 設(shè)水層厚度為設(shè)水層厚度為L，則鋼中剩余近場區(qū)長度，則鋼中剩余近場區(qū)長度N為：為：若基于水中近場區(qū)計算，則：若基于水中近場區(qū)計算，則：21222124ccLDccLNNS42SDN 式式3172112211)4()(ccLDccLNNS式式318例：用用2.5MHz、14mm縱波直探頭水浸探傷鋼板，已縱波直探頭水浸探傷鋼板，已知水層厚度為知水層厚度