第三章超聲波發(fā)射聲場

與規(guī)則反射體分回波聲壓

河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院2010年4月主要內(nèi)容：縱波發(fā)射聲場橫波發(fā)射聲場規(guī)則反射體的回波聲壓AVG曲線

超聲波探頭（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)中的聲壓可以進行線性疊加，并且測試比較方便。因此對聲場的理論分析研究常常從液體介質(zhì)入手，然后在一定條件下過渡到固體介質(zhì)。P－波源軸線上任意一點聲壓；P0－波源的起始聲壓；FS－波源面積；Rs–波源半徑λ－波長；x

－軸線上Q點至波源的距離。圓盤波源軸線上的聲壓與距離成反比，與波源面積成正比。近場區(qū)：波源附近由于波的干涉而出現(xiàn)一系列聲壓極大極小值的區(qū)域，成為超聲場的近場區(qū)。近場區(qū)聲壓分布不均勻,容易引起誤判，甚至漏檢，所以，應(yīng)盡量避免近場區(qū)檢測。波源軸線上最后一個聲壓極大值至波源的距離稱為近場區(qū)長度,用N表示.P/P0N3N6N0.5NX近場區(qū)長度與波源面積成正比，與波長成反比。近場區(qū)檢測定量是不利的，處于聲壓極小值處的較大缺陷回波可能較低，而處于聲壓極大值處的較小缺陷回波可能較高，這樣就容易引起誤判，甚至漏檢，應(yīng)盡可能避免在近場區(qū)檢測。超聲場橫截面的聲壓分布：

在x<N的近場區(qū)，中心軸線上的聲壓不一定最大；在x>N的遠(yuǎn)場區(qū)，軸線上的聲壓最高，偏離中心聲壓逐漸降低，而且，分布完全對稱。實際檢測中，橫波斜探頭K值和探頭聲束軸線的偏離的測定，規(guī)定要在2N以外進行就是這個原因。N/2N3N6N波束的指向性和半擴散角至波源充分遠(yuǎn)處任意一點的聲壓，如圖所示xP(r,θ)XYZoP(r,0))θ波束指向性)θ0Y3.831、DC≤1說明超聲場中至波源充分遠(yuǎn)處同一橫截面上各點的聲壓不同，以軸線上的聲壓最高。實際探傷中，只有當(dāng)聲束軸線垂直于缺陷時，缺陷回波最高就是這個原因。2、半擴散角θ0－園盤源輻射的縱波聲場的第一零值發(fā)散角。

3、當(dāng)θ>θ0時，|DC|<0.15,說明半擴散角以外的聲壓很低，超聲波的能量主要集中在半擴散角以內(nèi)。2θ0以內(nèi)的波束稱為主波束（或主聲束），只有當(dāng)缺陷位于主波束范圍時，才容易被發(fā)現(xiàn)。以確定的擴散角向固定的方向輻射超聲波的特性稱為聲束指向性。4、由θ0≈70λ/DS可知，增加探頭直徑DS，提高探傷頻率f,半擴散角θ0將減小，即可以改善聲束的指向性，使超聲波的能量更加集中，有利于提高探傷靈敏度。但由可知，增加探頭直徑DS和提高探傷頻率f,近場區(qū)長度增加，對探傷不利。因此，在實際探傷中，要綜合考慮DS和f對θ0及N的影響，合理選擇DS和f。一般是在保證探傷靈敏度的前提下盡可能減小近場區(qū)長度。波束未擴散區(qū)與擴散區(qū)超聲波波源輻射的超聲波是以特定的角度向外擴散出去的，但并不是從波源開始擴散的，而是在波源附近存在一個未擴散區(qū)，b=1.64N，在未擴散區(qū)b內(nèi)，波束不擴散，不存在擴散衰減，各截面聲壓基本相同。因此，薄板試塊前幾次底波相差無幾。到波源的距離x>b的區(qū)域稱為擴散區(qū)，擴散區(qū)內(nèi)波束擴散，存在擴散衰減。例題:計算2.5P20縱波直探頭探測鋼工件時的近場區(qū)長度N、半擴散角θ0和未擴散區(qū)長度b。解：由題意f=2.5MHz,Ds=20mm,CL=5900m/s且λ=CL/f近場區(qū)長度：半擴散角：°未擴散區(qū)長度：例題:計算2.5MHz，φ20縱波直探頭（2.5P20）探測鋼工件時的近場區(qū)長度N、半擴散角θ0和未擴散區(qū)長度b。二、矩形波源輻射的縱波聲場yxQz2a2br)θ)φ0波束軸線上的聲壓:r≥3N時，式中：Fs—矩形波源的面積，F(xiàn)=4ab

矩形波源的近場區(qū)的長度：矩形波源輻射的主聲束為四棱錐形，如下圖所示X方向的半擴散角為：Y方向的半擴散角為：

矩形波源輻射的縱波聲場與圓盤波源輻射的聲場不同，矩形波源有兩個半擴散角，其聲場橫截面為矩形。

三、近場區(qū)在兩種介質(zhì)中的分布公式只適用均勻介質(zhì)。實際檢測中，有時近場區(qū)分布在兩種不同的介質(zhì)中，如圖所示的水浸檢測，超聲波是先進入水，然后再進入鋼中。例：用2.5MHz，直徑14mm縱波直探頭水浸探傷鋼板，已知水層厚度為20mm，鋼中縱波聲速5900m/s，水中縱波聲速1480m/s，求鋼中近場區(qū)長度N。解：鋼中縱波波長（mm）鋼中近場區(qū)長度：（mm）四、實際聲場與理想聲場

以上討論的是液體介質(zhì)，波源作活塞振動，輻射連續(xù)波等理想條件下的聲場，簡稱理想聲場。實際檢測往往是固體介質(zhì)，波源非均勻激發(fā)，輻射脈沖波聲場，簡稱實際聲場。它與理想聲場是不完全相同的。

（3）理想聲場是針對液體介質(zhì)而言的，而實際檢測對象往往是固體介質(zhì)。在液體介質(zhì)中，液體內(nèi)某點的壓強在各個方向上的大小是相同的。波源各點在液體中某點引起的聲壓可視為同方向而進行線形迭加。在固體介質(zhì)中，波源某點在固體中某點引起的聲壓方向在二者連線上。對于波源軸線上的點，由于對稱性，使垂直于軸線方向的聲壓分量互相抵消，使軸線方向的聲壓分量互相迭加。顯然這種迭加干涉要小于液體介質(zhì)中的迭加干涉，這也是實際聲場近場區(qū)軸線上聲壓分布較均勻的一個原因。序號實際聲場理想聲場1差異固體介質(zhì)聲壓不能線性疊加液體介質(zhì)聲壓可進行線性疊加脈沖波非均勻激發(fā)連續(xù)波均勻激發(fā)不完全干涉或不干涉完全干涉、干涉大頻率不是單一的頻率單一衰減系數(shù)α≠0衰減系數(shù)α=02＜N極值點少極值點多極大值＜2P0；極小值＞0Pmax=2P0；Pmin=0波動幅度小波動幅度大3＞N軸線上聲壓單調(diào)減小4＞3N軸線上的聲壓P=P0F/λX擴散角：

θ0=sin-11.22λ/D指向性：實際聲場的波束指向性比理想聲場波束指向性更好，波束更集中近場長度：N=D2/4λ未擴散區(qū)：b=1.64N3.2橫波發(fā)射聲場一、橫波波源的假設(shè)

目前常用的橫波探頭，是使縱波傾斜入射到界面上，通過波型轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)橫波檢測的。當(dāng)αL=αⅠ～αⅡ時，縱波全反射，第二介質(zhì)中只有折射橫波。橫波探頭輻射的聲場由第一介質(zhì)中的縱波聲場與第二介質(zhì)中的橫波聲場兩部分組成，兩部分聲場是折射的，如下圖所示，為了便于理解計算，特將第一介質(zhì)中的縱波波源轉(zhuǎn)換為軸線與第二介質(zhì)中橫波波束軸線重合的假想橫波波源，這時整個聲場可視為由假想橫波波源輻射出來的連續(xù)的橫波聲場。當(dāng)實際波源為圓形時，其假想橫波波源為橢圓形，橢圓的長軸等于實際波源的直徑，短軸為:

式中α—縱波折射角；

β—橫波入射角。二、橫波聲場的結(jié)構(gòu)

橫波軸線上的聲壓橫波聲場同縱波聲場一樣由于波的干涉存在近場區(qū)和遠(yuǎn)場區(qū)。當(dāng)x≥3N時，橫波聲場波束軸線上的聲壓為

式中K—系數(shù)；FS—波源的面積；

λS2—第二介質(zhì)中橫波波長；x—軸線上某點至假想波源的距離。

由以上公式可知，橫波聲場中，當(dāng)x≥3N時，波束軸線上的聲壓與波源面積成正比，與至假想波源的距離成反比，類似縱波聲場。近場區(qū)長度橫波聲場近場區(qū)長度為

式中N—近場區(qū)長度，由假想波源算起由以上公式可知，橫波聲場的近場區(qū)長度和縱波聲場一樣，與波長成反比，與波源面積成正比。橫波聲場中，第二介質(zhì)中的近場區(qū)長度為

式中FS—波源的面積；

λS2—第二介質(zhì)中橫波波長；L1—入射點至波源的距離；L2—入射點至假想波源的距離。我國橫波探頭常采用值（K=tanβ）來表示橫波折射角的大小，常用值為1.0、1.5、2.0和2.5等。為了便于計算近場區(qū)長度，在第Ⅰ介質(zhì)為有機玻璃;第二介質(zhì)為鋼Ⅱ的探頭,特將與cosα/cosβ、tanα/tanβ的關(guān)系列于表2.2。k值1.01.52.02.5

Cosβ/cosα0.880.780.680.6tanα/tanβ0.750.660.580.5例1，試計算2.5MHZ、14×16方晶片K1.0(2.5P14×16K1)和K2.0(2.5P14×16K2)橫波探頭的近場區(qū)長度。（鋼中CS2=3230m/s）解：

由上式計算表明，橫波探頭晶片尺寸一定，K值增大，近場區(qū)長度將減小。例2，試計算2.5MHZ、10×12mm方晶片K2.0橫波探頭，有機玻璃中入射點至晶片的距離為12mm，求此探頭在鋼中的近場區(qū)長度。（鋼中CS2=3230m/s）解：半擴散角從假想橫波聲源輻射的橫波聲束同縱波聲場一樣，具有良好的指向性，可以在被檢材料中定向輻射，只是聲束的對稱性與縱波聲場有所不同，如下圖所示。（1）在聲束軸線與界面法線所決定的入射平面內(nèi)，聲束不再對稱于聲束軸線，而是聲束上半擴散角θ上大于聲束下半擴散角θ下（2）在通過聲束軸線與入射平面垂直的平面內(nèi)，聲束對稱于軸線，這時半擴散角可按下式計算。

對于圓片形聲源：對于矩形正方形聲源：由公式可以看出，在其他條件相同時，橫波聲束的指向性比縱波好，橫波能量更集中一些。因為橫波波長比縱波短。Δ盲區(qū):從探測面到能夠發(fā)現(xiàn)缺陷的最小距離。不是近場區(qū)，盲區(qū)是脈沖寬度+儀器的阻塞效應(yīng)。Δ橫波探頭晶片尺寸一定，K值增大，近場區(qū)長度將減小。Δ頻率越高，指向性越好；Δ小晶片指向性差，大晶片指向性好；Δ在其他條件相同時，橫波聲束的指向性比縱波好，橫波能量更集中一些。3.3規(guī)則反射體的回波聲壓

前面討論的是超聲波發(fā)射聲場中的聲壓分布情況，實際檢測中常用反射法。反射法是根據(jù)缺陷反射波聲壓的高低來評價缺陷的大小。然而工件中的缺陷形狀性質(zhì)各不相同，目前的檢測技術(shù)還難以確定缺陷的真實大小和形狀。反射波聲壓相同的缺陷的實際大小可能相差很大，為此特引用當(dāng)量法。當(dāng)量法是指在同樣的檢測條件下，當(dāng)自然缺陷反射波與某人工規(guī)則反射體回波等高時，則該人工規(guī)則反射體的尺寸就是此自然缺陷的當(dāng)量尺寸。自然缺陷的實際尺寸往往大于當(dāng)量尺寸。一、規(guī)則反射體的反射波聲壓公式超聲波檢測中常用的規(guī)則反射體有平底孔、長橫孔、短橫孔、球孔和大平底面等，下面分別討論以上各種規(guī)則反射體的回波聲壓。平底孔回波聲壓

在X≥3N的圓盤波源軸線上存在一平底孔缺陷，設(shè)波束軸線垂直于平底孔，超聲波在平底孔上全反射，平底孔直徑較小，表面各點聲壓近似相等。根據(jù)惠更斯原理可以把平底孔當(dāng)作一個新的圓盤源，其起始聲壓就是入射波在平底孔處的聲壓平底孔反射波聲壓

式中P0—波源的起始聲壓；FS—波源的面積，F(xiàn)f—平底孔缺陷的面積；

λ—波長x—平底孔至波源的距離由上式可知，當(dāng)檢測條件（FS，λ）一定時，平底孔缺陷的回波聲壓或波高與平底孔面積成正比，與距離平方成反比。

任意兩個距離直徑不同的平底孔反射波聲壓之比為：二者回波分貝差為：⑴當(dāng)Df1=Df2，X2=2X1時,

這說明平底孔直徑一定，距離增加一倍，其回波下降12db。⑵當(dāng)X2=X1,Df1=2Df2，時,這說明平底孔距離一定，直徑增加一倍，其回波升高12db長橫孔回波聲壓

當(dāng)x≥3N，超聲波垂直入射，全反射，長橫孔直徑較小，長度大于波束截面尺寸時，超聲波在長橫孔表面的反射就類似于球面波在柱面鏡上的反射。長橫孔回波聲壓

式中Df—長橫孔的直徑。由上式可知，當(dāng)探測條件（FS，λ）一定時，長橫孔回波聲壓與長橫孔的直徑平方根成正比，與距離的二分之三次方成反比。任意兩個距離、直徑不同的長橫孔回波分貝差為：

⑴當(dāng)Df1=Df2，X2=2X1時,這說明:長橫孔直徑一定，距離增加一倍，其回波下降9db。⑵當(dāng)X2=X1,Df1=2Df2，時,這說明：長橫孔距離一定，直徑增加一倍，其回波升高3db短橫孔回波聲壓短橫孔是長度明顯小于波束截面尺寸的橫孔，設(shè)短橫孔直徑為Df，長度為Lf。當(dāng)X≥3N時，超聲波在短橫孔上的反射回波聲壓為：

LfxDsDf

由上式可知，當(dāng)探測條件（FS，λ）一定時，短橫孔回波聲壓與短橫孔的長度成正比，與直徑的平方根成正比，與距離的平方成反比。

任意兩個距離、長度和直徑不同的短橫孔回波分貝差為：

⑴當(dāng)Df1=Df2，Lf1=Lf2,X2=2X1時,

這說明短橫孔直徑和長度一定，距離增加一倍，其回波下降12db，與平底孔變化規(guī)律相同。⑵當(dāng)X2=X1,Df1=Df2，Lf1=2Lf2時,

這說明短橫孔直徑和距離一定，長度增加一倍，其回波上升6db。（3）當(dāng)X2=X1,Df1=2Df2，Lf1=Lf2時,這說明短橫孔長度和距離一定，直徑增加一倍，其回波升高3db大平底面回波聲壓當(dāng)X≥3N時，超聲波在與波束垂直、表面光潔的大平底面上的反射就是球面波在大平面上的反射，x其回波聲壓為:

由上式可知，當(dāng)探測條件（FS，λ））一定時，大平底面回波聲壓與距離成反比。兩個不同距離的大平底面回波分貝差為：

當(dāng)X2=2X1時這說明大平底面距離增加一倍，其回波下降6db。球孔回波聲壓設(shè)球孔直徑為Df,超聲波垂直入射，全反射，Df足夠小。Dfx當(dāng)X≥3N時，超聲波在球孔上的反射就類似于球面波在球面上的反射，其回波聲壓為:由上式可知，當(dāng)探測條件（Fs，λ）一定時，球孔回波聲壓與距離的平方成反比，與球孔直徑成正比。

任意兩個直徑、距離不同的球孔的回波分貝差為：（1）當(dāng)Df1=Df2,x2=2x1時，這說明球孔直徑一定，距離增加一倍，其回波下降12dB，與平底孔變化規(guī)律相同。（2）當(dāng)Df1=2Df2,x2=x1時，這說明球孔距離不變，直徑增加一倍，其回波上升6dB實心圓柱體曲底面回波聲壓

ax球面波在凹柱面上的反射聲壓：這里a=x，P1/a:球面頂點處入射波的聲壓f=D/4=x/4,代入上式

這說明實心圓柱體反射波聲壓與大平底面回波聲壓相同?？招膱A柱體曲底面回波聲壓空心圓柱體曲底面回波聲壓-外柱面徑向探傷

上式說明外圓檢測空心圓柱體，其回波聲壓低于同距離大平底面回波聲壓。因為凸柱面反射波發(fā)散?？招膱A柱體曲底面回波聲壓-內(nèi)柱面徑向探傷

上式說明內(nèi)孔檢測圓柱體，其回波聲壓大于同距離大平底回波聲壓。因為凹柱面反射波聚焦。以上各種規(guī)則反射體的反射波聲壓公式均未考慮介質(zhì)衰減，如果考慮介質(zhì)衰減，則所有公式均應(yīng)增加式中：x–反射體至探頭的距離，x≥3N

α–介質(zhì)單程衰減系數(shù)，dB/mm3.4AVG曲線AVG曲線是描述規(guī)則反射體的距離A、反射波高度V及當(dāng)量大小G之間關(guān)系的曲線。A、V、G是德文距離、增益和大小的字頭縮寫。英文縮寫為DGS。AVG曲線可用于對缺陷定量和靈敏度調(diào)整。AVG曲線有多種類型，根據(jù)通用性分為通用AVG和實用AVG；據(jù)波型不同分為縱波AVG和橫波AVG；據(jù)反射體不同分為平底孔AVG和橫孔AVG等。下面以縱波平底孔為例來說明AVG曲線的原理和繪制方法。一、縱波平底孔AVG曲線1、通用AVG曲線—適用于所有縱波探頭當(dāng)X≥3N，不考慮介質(zhì)衰減時，大平底面與平底孔回波聲壓為當(dāng)儀器的垂直線性良好時，示波屏上波高與聲壓成正比。為了簡化計算，對上式進行歸一化處理。令，，并代入上式得若用dB表示波高，則有

式中A—歸一化距離；G—歸一化缺陷當(dāng)量大??；V1—底波與始波高dB差；V2—平底孔回波與始波高dB差?？v波平底孔通用AVG曲線圖中V均為負(fù)dB值，說明各底波與平底孔反射波均比始波低，需要增益相應(yīng)dB值，才能達到與始波等高。在A＜3的區(qū)域內(nèi)，由于理論公式不適用，因此該區(qū)域的曲線一般不繪出或由實測得到。由平底孔缺陷通用AVG曲線可見，當(dāng)A＜1時，由于波的干涉，使平底孔回波聲壓趨于復(fù)雜化，出現(xiàn)極大極小值。但對于大平底而言，其回波幾乎不隨距離變化，在這個區(qū)域內(nèi)的入射波可視為平面波的一部分，平均聲壓為常數(shù)。

通用AVG曲線由于采用了歸一化距離和歸一化缺陷當(dāng)量大小，因此通用性好，適用不同規(guī)格的探頭。通用AVG曲線可以用來調(diào)整檢測靈敏度和對缺陷進行定量。

例如，用2.5MHZ、Φ20mm直探頭探測厚400mm鋼制餅形鍛件，已知鋼中，檢測中在170mm處發(fā)現(xiàn)一缺陷，其回波高度比底波低10dB。⑴如何利用底波調(diào)整φ2平底孔靈敏度？⑵求此缺陷的當(dāng)量平底孔尺寸為多少？解:調(diào)靈敏度

1、求N2、求400mm處，Φ2mm平底孔對應(yīng)的A和G

3、查AVG曲線過A=9.4處作垂線交G=0.1線于N，交B線于M，則MN所對應(yīng)的分貝值為400mm處大平底與φ2平底孔的反射波分貝差：

Δ=［B］-［φ2］=44dB

4、調(diào)整φ2靈敏度

調(diào)節(jié)儀器使第一次底波B1達基準(zhǔn)波高（例如80%），然后釋放44dB（增益型儀器，增加44dB，衰減型儀器，衰減44dB），至此φ2靈敏度調(diào)好，即這時400mm處φ2平底孔回波正好達基準(zhǔn)波高。對缺陷定量

1、求Af

2、求Gf過Af=4處作垂線,與比點M低10dB的P點作的水平線相交于Q點，則Q點所對應(yīng)的G值為所求：Gf=0.3。3、求缺陷的當(dāng)量尺寸

通用AVG曲線雖然通用性好，但使用中要進行歸一化換算，不大方便，為此引入了適用于特定探頭的專用AVG曲線，常稱實用AVG曲線。2、實用AVG曲線

以橫坐標(biāo)表示實際聲程，縱坐標(biāo)表示規(guī)則反射體相對波高，用來描述距離、波幅、當(dāng)量大小之間的關(guān)系曲線，稱為實用AVG曲線，下圖為平底孔實用AVG曲線

實用AVG曲線可由以下公式得到。不同距離的大平底反射波dB差不同距離的不同大小平底孔反射波dB差同距離的大平底與平底孔反射波dB差用以上公式計算繪制實用AVG曲線時，要統(tǒng)一靈敏度基準(zhǔn)。例如上圖是x=750mm，φ2平底孔為0dB。實用AVG曲線中X≥3N部分，可由理論公式計算得到，還可由實測CS-Ⅱ試塊得到或由通用AVG曲線進行轉(zhuǎn)換得到，但x＜3N的區(qū)域只能通過實測得到。

例：晶片直徑D=20mm，頻率2.5MHZ縱波直探頭，利用公式繪制鋼中的實用AVG曲線。解：（1）首先要確定一個統(tǒng)一的靈敏度基準(zhǔn)。例如確定的基準(zhǔn)為x=750mm時，Φ2平底孔的回波高度為0dB(2)計算不同距離處同一大小平底孔的回波dB差根據(jù)此時Df1=Df2,則有，