无损检测学习--第二章

1、第二章超声波发射声场与规则反射体的回波声压第一节纵波发射声场一、圆盘波源辐射的纵波声场(声源固定在无限大障板上)1.波源轴线上声压dpjk cuadsej( t kh)2 hds21d 1 hx2声源在Q点产生的总声压P(Q) jk cuaej( t)3kh2ae0 2 hidjk cuaejRe jkhxcuaejtejkRjkx叫ejtex jk(xeR)2jk(x R)e 22 cua sink(R x)eJ t k(Rx)/2/2此处用到公式sinej e jQ点处的声压振幅 P可表示为P2P0s in (.R； x2 x)式中Rs 波源半径F0x轴线上Q点至波源的距离CUa(1) 近

2、场区a)当(4Ds x2x) (2n 1)?时P 2 P0声压具有最大值,此声压为2倍平面波声压。此位置XnDj2(2 n 1)24 (2n1)n=0,1,2D 有(n+1)个值2此时N其中n=0为距声源最远一个最大值，(条件DsN称为近场长度。近场区内，与声轴垂直且与声源面积相当的范围内， 其平均声压等于平面波声压。b) 声压最小值点(D _当一(J一- xx) n 时,该位置声压振幅 P=0。4以x'表示声压最小值点的位置，则Xn2 2Ds (2n )8n得诗取整,最小值个数为1、2、3 2 2其中n=1相应于最远的最小值点,且此点的值为x12DsN82c) N内其他各点的声压介于

3、0与2P0之间。d) 当x>N时，声轴线上的声压从 2P0单调下降。e) 当 x>> Rs 时,P2P°s in (R：x2x)2P0刑-xj1 (号)2 X (Q 1 22P0si n x(12P°sin-匡)2x2PoRs212x丄(旦)26 2xR：、21 ()xFsp。x6 2x相对误差为)26 2x2 22 N2224 x,故当x=N时，误差20.411,24x=1.67N,0.15, x 3N ,0.046f)声轴线上远场区P PFx即远场中，声轴线上声压与距离成反比。式中FsX远场中任意一点 M(r,)处的声压为:P(r,)F0 Fs 2 J

4、1 (kRs sin )0 sP(r,0)/P(r,)r kRssinD()kRs sin称为圆盘源远场的方向性函数。D()的特性是:a) 2Jl(V)当V 0即0时(即声轴线处)VD( )=1,为最大值,即声轴线上声压最高，b) kRs<1 时 Ji(V)V/2,D( )1,辐射各向均匀。2 一(kRs<l即RS<1,为低频辐射)c)当kRs大于3.83时,辐射具有复杂的指向性，其指向特性下图所示,当kRSsin =3.83时出现第一个零值，此时相应的 值以0表示:sin1(3.83)(kRT)sin1(3.83)(2RT)sin 1(0.61)Rssin 1(1.22)D

5、s当 <<Ds 时，01.22(弧度)70(度)DsDs0称为第一零辐射角或半扩散角 主声束宽度为2 0( 0为球面角 2.束未扩散区与扩散区，此角度处声压振幅为零。sin 01.22Ds /2Ds2波束未扩散区长度为1.64倍近场长度。例：求2.5P20直探头在钢中的 N、0和b（钢中纵波声速为 5900m/s）N=D；D；4Ci20； 2.5 1064 5900 10342.4(mm)70DCf8.26°3.超声场截面声压分布。、矩形波源辐射的纵波声场1. 方向性函数P(r,P)Fs sin(kasin cos ) sin(kbsin )rkas in cos kbs

6、 in声轴上声压为P(r,0,0)P0Fsr35900 1020 2.5 106b=1.64N=1.64 X 42.4=69.5(mm)YOZ平面内的半扩散角0 sin 1（）57（度）2b 2b在xoz平面内的半扩散角0为0 sin （ ） 57（度）2a 2a近场长度N 空 llll（几何平均值） 44|2或N（经典声学公式）4教材上给的公式 NFsI1I2ab（不很妥当）三、近场区在两种介质中的分布在均匀介质中2l1N Ds/4 一NiI2N2山IN2D：/4 1Df/4 2IlI1-C1C2C2C2C2N2 介质n中（钢中）近场长度 L 水层厚度C1 介质I中（水中）波速C2 介质n中

7、（钢中）波速2介质n中（钢中）波长20m m钢中例：求2.5P14纵波直探头水浸探伤钢板，已知水层厚度为C|=5900mm/s,水中CI =1480m/s。求钢中近场区长度C5.9s.2.36( mm)f2.5“ D214 1420 1480,“、N -I15.7(mm)4 2C24 2.365900四、实际声场与理想声场比较（1）理想声源：连续，单频波，干涉充分实际声源：脉冲，多频波，干涉不充分(2) 脉冲波可分解为多频波，每个分量都有各自的近场长度和半扩散角，观察点处的总声压为各分量声压之和，即p Jr2 p2 p3 p2近场长度内，各分量的零值点位置不同，因此实际上不存在真正的零值点。

8、远场区亦不存在绝对的零辐射角。(3) 实际声源是非均匀激发，理想声源是均匀激发(活塞型)(4) 理想声场是针对液体介质而言的，而实际探伤对象是固体介质。第二节横波发射声场一、假想横波源cos椭圆短轴 DsDs-cos1. 波束轴线上的声压(略)2. 近场长度圆晶片：,N1N2DsD： cos2.4 s2 4 s2 cos22D s cos4 s2 cosFs coss2 cos方晶片：可参照上式近似计算第二介质中的近场长度 NN' N 12Fs coss2 cosFs 波源面积s2 介质n中横波波长li 入射点至波源的距离12 入射点至假想波源的距离例1:试计算2.5MHz、14X 1

9、6 mm方晶片K1.0和K2.0横波探头的近场区 长度 N。(钢中 CS2=3230m/s)解：入 s2=Cs/?=3.23/2.5=1.29(m)N1K)ab Cos 1S2 Cos 114 163.14 1.290.8848.7 (m)N2E)ab Cos 21S2 Cos 214 163.14 1.290.6837.7 (m)由上计算表明，横波探头晶片尺寸一定，K值增大，近场区长度将减小。 例2:试计算2.5MHz、10X 12 mm方晶片K2.0横波探头，有机玻璃中入射 点至晶片的距离为12 m,求此探头在钢中的近场区长度N。解：入 s2=Cs2/7=3.23/2.5=1.29(m)a

10、b Cos | tgL1S2 Costg10 123.14 1.293. 半扩散角0.68 12 0.58 13 （m）Dscl1cos上下sinab在声束轴线与入射平面垂直的平面内(即与低面垂直的平面内)晶片圆：0 arcsin1.22Ds7%：（晶片圆）方晶片：0arcsin1.2257（度）2a 晶片在a方向边长2a2a例题：用2.5MHz、0 12 m 纵波直探头探伤钢工件，钢中Q=5900m/s，求其半扩散角。解：入 L=G/f=5.9/2.5=2.36 (m)0 0=70 入 l/Ds=70 >2.36/12=13.8第三节聚焦声源发射声场声场的形成1.聚焦探头的种类1）液浸

11、型F的值为Fr1c2 / c1crCC22.25r，r 0.445F（设C2 c水1500米/秒，有机玻璃C1 2700米/秒）2）接触型条件：C1 C2C1 :（如有机玻璃中）C1=2700米/秒C2 :（如聚枫中）C2=2300米/秒二、聚焦声场的特点与应用1聚焦声束轴线上的声压分布 在声程x>R,焦距F>R的条件下，声压P的近似公式为：P式中F=焦距= c1r /（C1r声透镜曲率半径 x观察点声源的距离F x2P°si n -B-(1 -) 2 x F(1 F)C2 )B R2/ F N /F，R为波源半径条件：C1C2 ,即透镜中声速大于液体中声速在焦点处x=F

12、,上式可简化为PBPo （2 25）当B=10时，P=31.4P°。即当焦距F近场长度的1/10时，其声压为平面波声压的31.4倍由图可见，B越大，即 F相对近场长度越小， 聚焦效果愈好。当 F=N 时，B=1，PBPo 3.14Po结论：焦距应选在近 场之内2. 焦柱的几何尺寸因为声波的波动性，焦点附近为一个聚焦区。对柱面形透镜而言，焦柱直径d和焦柱长度L可表示为（声压下降6dB测量法）d F/2R （d焦柱直径）L F2/R2 （ L焦柱长度）常数L/d=2F/R3.1)2)3)聚焦探头的应用缺陷尺寸的测定裂纹高度的测定，裂纹高度配合断列力学计算使用寿命特殊工件粗晶材料检测tgo

13、od四、1.21.22 f /Rs焦探伤时水距的选择f/Rs入一一波长d焦距直径C工件F 件C水推导_CC工件即sinC工件在三角形ABC中bS2sin si n180()S2sinF H I cos bS2F HIS2,bcoscosbS2sinsinIF Hsin cos sin cossin sin sinCx件 . cosIC 水 cos卄sin cos即 H F IFsin cos当很小时，cos1,cos1,即cos1cosC工件第四节规则反射体的回波声压概述：超声探伤中常用反射法,反射法是根据缺陷反射回波声压的高低来评价缺陷的大小。由于工件中缺陷的形状性质各相同，以前的探伤技术还

14、难以确定缺陷的真实大小和形状。 为此引入当量法。回波声压相同缺陷，其实际大小可能相差很大当量法的定义：在同样的探测条件下，当自然缺陷回波与某人工反射体回波等高时，就认定该人工反射体尺寸就是此自然缺陷的当量尺寸。（自然缺陷的实际尺寸往往大于当尺寸 ）人工缺陷或规则反射体的种类主要有：平底孔、长横孔、短横孔、球孔、 大平底、圆柱曲底面。下面分析这些人工反射体的反射规律一、平底孔回波声压当x»3N时,若波束轴线垂直于平底孔, 平底孔可看作一个新的圆盘源，其起始 声压就是入射声波在平底孔处的声压PxP0Fs / x探头接收到的平底孔回波声压Pf为2PxFfPoFsFfDfPfx fPoFs

15、fx x4 x即平底孔回波声压与平底孔直径平方 成正比，与距离平方成反比。式中：Poocua 平面波声压2 Fs 探头波源面积FsD s42Ff平底孔缺陷面积FfDf4在介质中的波长x平底孔到波源距离由(2 29)式可知：平底孔回波声压或波高与平底孔面积成正比(或与平底任意两个平底孔回波声压或波高之比为:Hf2Pf12X2D?1Hf 1Pf22X1Df22Df 1Df 2X2X1二者回波声压分贝差为:12 20lgfPf240lg孔直径的平方成正比) 当Df1 Df2时，距离增加一倍，其回波下降12dB当x 1 x 2时,若D f 1 D f 2Df 1则 12 40lg d 40 lg2 4

16、0 0.3010 12dB,D f2即距离相同时，平底孔直径增加一倍，其回波升高12dB、长横孔回波声压 长横孔：直径较小而长度大于声束直径超声波在长横孔表面的反射类似于球面波在柱面镜上的反射此时公式(1.54)为PxP1 ifa V(1 x/a)x f(1x/a)以a=x, f Df /4,匕/a P0Fs/ x代入上式且取正号,可得PxPoRDf2 x Df 2xPoFs Df2 x 1 2x推导：PxPoFsDf/42 x (1 1)x (Df /4)(11)Df 长横孔的直径Pf 1Df1 x212 20lg 1Olg 3Pf2Df2X；(1)当 Df1 Df2,X2 2X1 时，12

17、 20lg(Ff1 /Pf2) 30lg(X2/xJ 30 Ig 2 9dB 即：长横孔直径一定，距离增加一倍，其回波下降9dB当 x 1 x 2 , D f 1 D f 2 时1220lg(Ri/Pf2) 10lg(Dfi/Df2)10lg 2 3dB即：长横孔距离一定，直径增加一倍，其回波上升3dB三、短横孔短横孔：其长度明显小于波束截面尺寸的横孔。设横孔直径为Df，长度为If，当x»3N时超声波在短横孔上的反射回波声压即：短横孔回波声压与短横孔长度If成正比，与短横直径的平方成正比,与距离的平方成反比。24Pf 1If 1 X2 Df 112 20|g 厂10|g?r 4-pf

18、 2If2 X1 Df 2(1)当 Df1 D f 1,1 f1 1 f 2 , X2 2x1 时，12 20lg Pf1/Pf240 Ig(x2/X1)长度一定时，距离增加一倍，其回波下降40Ig 2 12dB 即:短横孔直径和12dB，与平底孔变化规律相同。D f 2 , X1X2 , I f112 20Ig Pf1/Pf2 20Ig(If1/If2)20Ig2度增加一倍时，其回波上升6dB当 X 1 X2 , I f 1 I f2 , Df 1 D f2 时，1220Ig(Pf,Pf2) 10Ig(Df"Df2)10Ig2即：短横孔直径增加一倍时，其回波升高3dB时6dB 即:

19、短横孔长3dB四、球孔回波声压设球孔直径为Df，超声波垂直入射，全反射， Df足够小。当x>3N时超 声波在球孔上的反射类似于球面波在球面镜上的反射。以a=x, ?=D/4, R/a P0Fs/ x代入 可得到球孔回波声压：P巳一fa x f(1 x/a)PoFs Df1x 4 Df x (1 1)41.53 )并取正号，同时考虑到Df x ,P°Fs Df1x 4 x Df /2FQFs Dfx 4x即：球孔回波声压与孔径成正比，与距离成平方成反比。孔径增加一倍时,回波声压上升6dB,距离增加一倍时，回波声压下降12dB。五、大平底当x>3N,超声垂直入射于大平底面Pb

20、PoFs2 x大平底面的回波声压与距离成反比1220 lg( PB1 / PB2 )20lg(X2/xJ当 x2 2x11220 lg( PB1 / PB2 )20lg(X2 / Xi) 20 Ig 2 6dB即：大平底面距离增加一倍, 六、圆柱曲底面回波声压1.实心圆柱体以a=x, ?=D/4, P1 /aP0Fs / x代入（1.54 ）并取负号，得实心圆柱凹曲底面的回波声压为：PbPVfa < (1 x /a)x f (1x/a)P°Fs2 x这说明，实心圆柱回波声压等于大平底面回波声压。2.空心圆柱体1）内孔回波（探头置于外圆）P /aP0Fs / x以a=x=（D -

21、 d）/2,f=d/4,代入（1.54 ）,并取正号，得外圆探伤空心圆柱体凸柱曲底面的回 波声压：PBa (1 x/a)Jf(1 x/a)这说明，内孔回波低于大平底回波声压。2)外表面回波(探头置于内孔)以 a=x=(D d)/2,f=D/4,P1 la P0Fs / x 代入(1.54 )式并取负号得回波声压：PP1fB a (1 x/a)x f (1x/a)PoFs D2 x dPf衰Pfe2 x/8.68这说明，外圆回波声压大于大平底面回波声压。 七、考虑衰减时的回波声压公式介质单程衰减系数，单位dB/伽分贝 1 奈培， 1dB=0.115 奈培=1/8.68 奈培8.68例：用2.5P

22、20探头探测400伽锻钢件，要求4的缺陷不漏检 用200/ $ 2平底孔试块如何调节灵敏度？ 用工件大平底如何调节灵敏度？解：ND2D24c/f2024 5.9/2542.4(mm)T=400>3N,试块厚度T' =200>3N,可用计算法确定探伤灵敏度 根据(Pf / Pj)40 lg丄丸j Xf4 200=40lg0dB2 400即：用200/ 2平底孔试块调节灵敏度时，将200/ $ 2平底孔回波调到基准波高即可。（Pf /P平）22°g20lg3.14 422 2.34 40031.4dB即：用200/ 2平底孔试块调节灵敏度时，将工件大平底回波调到基准波

23、高，即将仪器灵敏度提高 31.4dB即可。第四节AVG曲线概述：AVG曲线是描述规则反射体的距A、回波高度V及缺陷当量大小 G之间关系的曲线。这里 A、V、G是德文的距离、增益和大小字头编写。英 文缩写DGS曲线。通用AVG曲线AVG曲线分类：按通用程度分 YI实用AVG曲线l纵波AVG曲线按波型分Y横波AVG曲线平底孔AVG曲线按反射体类型分Y-横孔AVG曲线一、纵波平底孔 ANG曲线1. 通用AVG曲线当x>3N,不考虑介质衰减时，大平底与平底孔回波声压为PfP°FsFf2 2xPb与F0或f与H0的比为Hb Fs DfH02 x 4 2xN 2x 2A（这里A=x/N为归

24、一化距离）HfPfFsFfDSDiiDS2dS2 2D；2G2 2H0P02 2x442 2x4422Ds xA2Hb和Hf相对于H°的波咼为Vi和V2：Vi B Ho 20lg20 Ig (2- 49)H o2AHfGV2f Ho 20lg - 40lg (2 50)HoAA归一化距离G归一化缺陷当量Vi底波相对于 H)的波高V2平底孔回波相对于H的波高以横坐标表示IgA,纵坐标表示V,V2,由公式(2.49)得出大平底波高与距离 的关系曲线B见下图。由公式(2.50)得出一族不同平底孔回波与距离之间 的关系曲线注意点：1)Vi,V2相对于H均为负数，说明各底波与平底孔回波均低于平面 回波H)2) 在1N内底波Vi的高度变化不大，近似不变(近似等于平面回波)大体可看作平面波，而平底孔回波则出现极大极小值，但平底孔回波的最大值不是 2P0,最小值也不是零3)