第3章 超声波发射声场及反射体的回波声压00

1、1第第3 3章章 超声波发射声场与反射体超声波发射声场与反射体的回波声压的回波声压 主讲教师：王秋萍主讲教师：王秋萍Xi an Polytechnic University23.1 3.1 纵波发射声场纵波发射声场3.2 3.2 横波发射声场横波发射声场3.3 3.3 规则反射体的回波声压规则反射体的回波声压 3.4 3.4 AVG曲线曲线Xi an Polytechnic University主要内容主要内容3u 圆盘波源辐射的纵波声场圆盘波源辐射的纵波声场u 矩形波源辐射的纵波声场矩形波源辐射的纵波声场u 纵波声场近场区在两种介质中的分布纵波声场近场区在两种介质中的分布3.1 3.1 纵波

2、发射声场纵波发射声场Xi an Polytechnic University4& 活塞声源：活塞声源：理想的圆盘声源是指圆形平面的声振动源，理想的圆盘声源是指圆形平面的声振动源，当它沿平面法线方向振动时，其面上各点的振动速度的幅值当它沿平面法线方向振动时，其面上各点的振动速度的幅值和相位都是相同的，这样的声源称为活塞声源，发射的波为和相位都是相同的，这样的声源称为活塞声源，发射的波为活塞波。活塞波。一一. .圆盘波源辐射的纵波声场圆盘波源辐射的纵波声场Xi an Polytechnic University声源声源（圆形压电晶片）（圆形压电晶片）纵波纵波在无粘滞性的水中传播在无粘滞性的水中传播

3、。51. 1.波源轴线上的声压分布波源轴线上的声压分布 面元面元dS辐射的球面波在波源辐射的球面波在波源轴线上轴线上 Q 点引起的声压为：点引起的声压为： krtrSPPsindd0 圆盘波源上各面元在轴线上圆盘波源上各面元在轴线上任一点任一点 Q 引起的声压为：引起的声压为： kxtxxRPPPSsinsin2d220Xi an Polytechnic University6(1)(1) 波源轴线上波源轴线上Q点声压幅值为点声压幅值为： S02S02202sin22sin2sin2RxPxRPxxRPPXi an Polytechnic University上式表明，圆盘轴线上的声压与距离成

4、反比，与波源面积成正比。上式表明，圆盘轴线上的声压与距离成反比，与波源面积成正比。 xFPxRPPRxS02S02Ssin36，则有：时，即当 波源轴线上的声压随距离变化关系图波源轴线上的声压随距离变化关系图7S2S2S4FDRN(2)(2)近场区近场区( (菲涅尔区菲涅尔区) )：波源附件由于波的干涉而出现的一系列声压波源附件由于波的干涉而出现的一系列声压极大极小的区域。极大极小的区域。Xi an Polytechnic University近场区长度：近场区长度：波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离，用波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离，用N N表表示。示。(3)(3)远场区：远

5、场区：波源轴线上的至波源的距离波源轴线上的至波源的距离xN的区域。的区域。 远场区轴线上的声压随距离的增加单调减少，当远场区轴线上的声压随距离的增加单调减少，当x3N时，声压距时，声压距离成反比。离成反比。& 在近场区检测定量是不利的，处于声压极小值处的较大缺陷回波在近场区检测定量是不利的，处于声压极小值处的较大缺陷回波可能较低，而处于声压极大值处的较小缺陷回波可能较高，这样就容可能较低，而处于声压极大值处的较小缺陷回波可能较高，这样就容易引起误判，甚至漏检，因此应尽可能避免近场区检测定量。易引起误判，甚至漏检，因此应尽可能避免近场区检测定量。8近场区长度的近场区长度的推导过程：推导过程：Xi

6、 an Polytechnic University大值。值对应最后一个声压极时的，xnnnDx012412222SLSS2S2S4:cfFFRDN所以近场长度时声压有极大值。当1212sinsin22nxxR结论：结论：近场区长度与波长成反比（与频率成正比），与声源面积近场区长度与波长成反比（与频率成正比），与声源面积成正比。成正比。9Xi an Polytechnic University圆形晶片辐射声场近场区长度与声源尺寸的关系圆形晶片辐射声场近场区长度与声源尺寸的关系102.2.超声场横截面声压分布超声场横截面声压分布在当在当 x3.83，即0时， 。15. 0D说明超声能量主要集中在

7、半扩散角内。15Xi an Polytechnic University上图表明：上图表明：晶片尺寸越大，指向性越好。晶片尺寸越大，指向性越好。164.4.波束未扩散区与扩散区波束未扩散区与扩散区NDbS64. 144. 22未扩散长度：得由22SSS0)2/(2/22. 1sinbDDDXi an Polytechnic University17例题：例题：若用若用f=2.5MHz，D=20mm的直探头检测钢工件的直探头检测钢工件(声速声速cL=5900m/s )，那么近场长度，那么近场长度 N，半扩散角，半扩散角0和和未扩散区长度未扩散区长度b分别是多少？分别是多少？解：解：mm4 .42

8、1059004105 . 22044362L2S2ScfDDN26. 8105 . 22010590070707063SLS0fDcDmm5 .694 .4264. 164. 1NbXi an Polytechnic University18二二. .矩形波源辐射的纵波声场矩形波源辐射的纵波声场1.1.波源轴线外的声压分布波源轴线外的声压分布sinsinsincossincossinsin,0kbkbkakarFPrPSXi an Polytechnic University19sinsinsincossincossinsin,0kbkbkakarFPrPS2.2.指向性与半扩散角指向性与半扩

9、散角sinsinsin, 0 ,0(2)0kbkbrFPrPS时，当yykbkbrPrPDrsinsinsinsin0 , 0 , 0 ,YOZ令平面内指向性系数：则在rFPrPS00 , 0 ,0(1)时，当Xi an Polytechnic University203.3.近场区长度近场区长度SFN bbDkbyr2572arcsinYOZ 014. 3sin000：平面内半扩散角在由此得。时，当aa2572arcsinXOZ00：平面内半扩散角同理，在Xi an Polytechnic University截面为矩形。其声场横其主声束为四棱锥形，半扩散角，矩形波源有两个不同的21正方形晶

10、片辐射声场近场区长度与声源尺寸的关系正方形晶片辐射声场近场区长度与声源尺寸的关系Xi an Polytechnic University左图表明：左图表明：矩矩形晶片尺寸越形晶片尺寸越大，近场长度大，近场长度越大，越不利越大，越不利于检测。于检测。22Xi an Polytechnic University矩形晶片辐射声场的数值计算结果矩形晶片辐射声场的数值计算结果上图表明：上图表明：晶片尺寸越大，指向性越好。晶片尺寸越大，指向性越好。23矩形晶片（两平面）辐射声场声压分布（数值模拟）矩形晶片（两平面）辐射声场声压分布（数值模拟）Xi an Polytechnic University2421

11、122114ccLDccLNNS基于水中：212222124DccLccLNN基于钢中：三、纵波声场近场区在两种介质中的分布三、纵波声场近场区在两种介质中的分布Xi an Polytechnic University25例题：例题：用用f=2.5MHz，Ds=14mm的纵波直探头水浸法检测钢板。的纵波直探头水浸法检测钢板。已知水层厚度为已知水层厚度为20mm，水中声速为，水中声速为c1=1480m/s， c2=5900m/s，求钢中近场长度。求钢中近场长度。mm15.7590014802026. 44144-mm36. 25 . 29 . 52212221222ccLDccLNNfcS长基于钢

12、中：钢中纵波波mm15.759201480200.5924144mm592. 05 . 248. 12212211111ccLDccLNNfcS长基于水中：水中纵波波Xi an Polytechnic University26四四. .实际声场与理想声场的比较实际声场与理想声场的比较Xi an Polytechnic University27序号序号实际声场实际声场理想声场理想声场1 1差异差异固体介质，声压不能线性叠加固体介质，声压不能线性叠加液体介质，声压可进行线性叠加液体介质，声压可进行线性叠加脉冲波非均匀激发脉冲波非均匀激发连续波均匀激发连续波均匀激发不完全干涉或不干涉不完全干涉或不干

13、涉完全干涉，干涉大完全干涉，干涉大频率不是单一的频率不是单一的频率单一频率单一衰减系数衰减系数0衰减系数衰减系数= =02 2N极大值极大值Pmax0极大值极大值Pmax=2P0；极小值；极小值Pmin=0波动幅度小波动幅度小波动幅度大波动幅度大3 3N轴线上声压单调递减轴线上声压单调递减4 43 N轴线上声压：轴线上声压：Px=P0FS/ /x扩散角：扩散角：0=sin-1(1.22/D)实际声场的波束比理想声场波束指向性更好，波束更集中。实际声场的波束比理想声场波束指向性更好，波束更集中。 近场区长度：近场区长度：N= D2/4/4； 未扩散区：未扩散区：b= 1.64NXi an Pol

14、ytechnic University28u 假想横波波源假想横波波源u 横波声场的结构横波声场的结构3.2 3.2 横波发射声场横波发射声场Xi an Polytechnic University29一一. .假想横波波源假想横波波源Xi an Polytechnic UniversitycoscosSSDD假想的横波声源302.2.近场区长度近场区长度2SScos()cosSFN由假想的波源算起第二介质中近场区长度第二介质中近场区长度1S2S2ScostancostanFNNLL二二. .横波声场的结构横波声场的结构SS2cos3coskFPxNx1.1.波束轴线上的声压波束轴线上的声压X

15、i an Polytechnic University31 例例11试计算试计算2.5MHz、14mm16 mm方晶片方晶片K1.0和和K2.0横波探横波探头的近场长度头的近场长度N（钢中横波声速为（钢中横波声速为cS=3 230m/s）。）。3S2S263230 101.29mm2.5 10cfS2cos14 161.00.8848.7mmcos3.14 1.29abN KS2cos14 162.00.6837.7mmcos3.14 1.29abN K 解：解：Xi an Polytechnic University32 例例22有一有一2.5MHz、10mm12 mm方晶片方晶片K2.0横

16、波探头，其有横波探头，其有机玻璃中入射点至晶片的距离为机玻璃中入射点至晶片的距离为12mm，求此探头在钢中的近场，求此探头在钢中的近场长度长度N（钢中横波声速为（钢中横波声速为cS=3 230m/s）3S2S263230 101.29mm2.5 10cf1S2costancostan10 120.68 12 0.5813mm3.14 1.29abNL解：解：Xi an Polytechnic University33下上下上，12-(1)(1)纵波斜入射纵波斜入射3.3.半扩散角半扩散角12sin,sinabab2L1Ssin11.22aDS2L1SL11.22coscbD cXi an Po

17、lytechnic University34(2)(2)横波垂直入射横波垂直入射SSDDS2S207022. 1arcsin圆形形声源：aa2572arcsinS2S20正方形形声源：注意：注意：在条件相同的条件下，横波声束的指向性比纵波在条件相同的条件下，横波声束的指向性比纵波 好，横波能量更集中一些。好，横波能量更集中一些。Xi an Polytechnic University35u 平底孔回波声压平底孔回波声压u 圆柱形反射体圆柱形反射体u 球孔回波声压球孔回波声压u 大平底回波声压大平底回波声压u 圆柱面回波声压圆柱面回波声压3.4 3.4 规则反射体的回波声压规则反射体的回波声压

18、Xi an Polytechnic University36& 当量法：当量法：是指在同样的检测条件下，当自然缺陷回波是指在同样的检测条件下，当自然缺陷回波与某人工规则反射体回波等高时，则该人工反射体的尺寸与某人工规则反射体回波等高时，则该人工反射体的尺寸就是此自然缺陷的当量尺寸。就是此自然缺陷的当量尺寸。& 反射法：反射法：根据缺陷反射回波声压的高低来评价缺陷的根据缺陷反射回波声压的高低来评价缺陷的大小。大小。Xi an Polytechnic University37一一. .平底孔回波声压平底孔回波声压NxxFFPxFPPffxf322S012212112lg40lg20 xDxDPPf

19、fff射。超声波在平底孔上全反孔，波束轴线垂直于平底条件：Nx3Xi an Polytechnic University38二二. .圆柱形反射体圆柱形反射体& 圆柱形反射体的回波声压：是指超声波垂直入射到圆圆柱形反射体的回波声压：是指超声波垂直入射到圆柱侧面时的小直径圆柱形反射体的反射声压。柱侧面时的小直径圆柱形反射体的反射声压。& 横孔：是实际检测中，在试块中制作轴线平行于入射横孔：是实际检测中，在试块中制作轴线平行于入射面人工钻孔，用侧面做反射体，称为横孔。面人工钻孔，用侧面做反射体，称为横孔。 根据横孔的长根据横孔的长度与入射声束尺寸的关系，横孔分为长横孔和短横孔。度与入射声束尺寸的关

20、系，横孔分为长横孔和短横孔。Xi an Polytechnic University391. 1.长横孔回波声压长横孔回波声压3123212112lg10lg20 xDxDPPffff3xN条件：，长度入射声束截面尺寸，超声波垂直入射到长横孔上全反射。NxxDFPxDxFPPfSSff3822300Xi an Polytechnic University40问题：问题：试用球面波在柱面上的反射声压公式推导此声压公式。试用球面波在柱面上的反射声压公式推导此声压公式。421111ssfDRfxaaPaxfxaxfaPP轴线上距顶点的距离；为离；为柱面顶点至波源的距压；为柱面顶点处入射波声其中：Xi

21、 an Polytechnic University412. 2.短横孔回波声压短横孔回波声压NxDxlxFPPfSf32041422221212112lg10lg20 xxllDDPPff3xN条件：，长度入射声束截面尺寸，超声波垂直入射到短横孔上全反射。Xi an Polytechnic University42三三. .球孔回波声压球孔回波声压NxxDxFPPfsf3402122212112lg20lg20 xxDDPPffff上全反射。超声波垂直入射到球孔，球孔直径足够小，条件：Nx3Xi an Polytechnic University43问题：问题：试用球面波在球面上的反射声压公

22、式推导此声压公式。试用球面波在球面上的反射声压公式推导此声压公式。42111fffDRfxaaPaxfxfaPP轴线上距顶点的距离；为离；为球面顶点至波源的距压；为球面顶点处入射波声其中：Xi an Polytechnic University44四四. .大平底回波声压大平底回波声压NxxFPPSB320122112lg20lg20 xxPPBB3xN条件：，波束轴线垂直于表面光洁的大平底上，超声波在大平底上全反射。Xi an Polytechnic University45五五. .圆柱面回波声压圆柱面回波声压& 这里指的是大直径圆柱面反射，即声束直径小于圆柱体这里指的是大直径圆柱面反射，

23、即声束直径小于圆柱体直径，且声束沿径向入射到圆柱面的反射。直径，且声束沿径向入射到圆柱面的反射。Xi an Polytechnic University46NxxFPP32s0B1. 1.实心圆柱体实心圆柱体”。取“面上的反射，类似于球面波在凹柱条件：,3Nx代入上式得以轴线上距顶点的距离；为离；为柱面顶点至波源的距压；为柱面顶点处入射波声4,11S011BffDfDxaxaaFPaPaxfxaxfaPPXi an Polytechnic University472. 2.空心圆柱体空心圆柱体NxDdxFPP32s0B探头置于外侧.4, 2/ )(11S011B。；为轴线上距顶点的距离离；为柱

24、面顶点至波源的距压；为柱面顶点处入射波声dfdDxaxaaFPaPaxfxaxfaPP3,xN条件：，类似于球面波在凸柱面上的反射 取“ ”。Xi an Polytechnic University484, 2/ )(11011DfdDxaxaaFPaPaxfxaxfaPPSB以；为轴线上距顶点的距离离；为柱面顶点至波源的距压；为柱面顶点处入射波声NxdDxFPPB32s0探头置于内侧3,-xN条件：，类似于球面波在凹柱面上的反射 取“”。Xi an Polytechnic University49u 通用通用AVG曲线的基本原理曲线的基本原理u 实用实用AVG曲线的基本原理曲线的基本原理3.

25、5 3.5 AVG曲线曲线Xi an Polytechnic University AVG曲线：是描述规则反射体距声源的距离曲线：是描述规则反射体距声源的距离(Abstand)-回波高度（回波高度（Verstarnung）及当量尺寸（）及当量尺寸（GroBe）之间关系的）之间关系的曲线。曲线。A、V、G是德文距离、增益和大小三词的字头。英文是德文距离、增益和大小三词的字头。英文中的缩写为中的缩写为DGS（distance-Gain-Size）。）。AVG曲线可用于对曲线可用于对缺陷定量和灵敏度调整。缺陷定量和灵敏度调整。50一一. .通用通用AVG曲线的基本原理曲线的基本原理& 通用通用AVG

26、曲线对规则反射体距声源和缺陷的当量尺寸曲线对规则反射体距声源和缺陷的当量尺寸进行了归一化，从而能够适用于不同规格的探头。进行了归一化，从而能够适用于不同规格的探头。& 理论依据理论依据是圆盘声源轴线上远场是圆盘声源轴线上远场中的声压公式和规则中的声压公式和规则反射体反射回波的声压公式。反射体反射回波的声压公式。NxxFPP32s0BNxxFFPxFPPx3,22fS022ffXi an Polytechnic University511.1.基本原理基本原理：对于对于A型脉冲反射式检测仪，荧光屏上的波高与声压成型脉冲反射式检测仪，荧光屏上的波高与声压成正比，则有正比，则有）（，归一化尺寸：归一

27、化距离：4-3)(-4Sf2DDGDxNxA)(2-)(1-222S0f0fS0B0BxFFPPHHxFPPHHf，平底孔：大平底：2220f0fB0BA)2()4()3(A2) 1 ()3(0GPPHHPPHH式得：代入和，式得：代入2.2. 归一化处理归一化处理( (消除声程、晶片尺寸和共振频率等对缺陷定量的影响消除声程、晶片尺寸和共振频率等对缺陷定量的影响) )Xi an Polytechnic University52用横坐标表示归一化距离用横坐标表示归一化距离A，纵坐标表示相对波高，纵坐标表示相对波高V1和和V2，分别利用，分别利用(5)式和式和(6)式作图，即可得到大平底和平底孔回

28、波高度与距离的关系曲式作图，即可得到大平底和平底孔回波高度与距离的关系曲线。图中最上面一根直线代表底波高度线，以下每一组曲线代表缺陷波线。图中最上面一根直线代表底波高度线，以下每一组曲线代表缺陷波高度。这就是高度。这就是AVG曲线，它只适用于远场情况（曲线，它只适用于远场情况（x3N）。）。 (6)-40lgA-lg40lg40lg40lg20(5)-20lgA-2lg202lg20lg20dB0f02B1GAGHHVAHHV表示相对波高，则用Xi an Polytechnic University53Xi an Polytechnic University通用平底孔通用平底孔AVG曲线曲线归

29、一化距离归一化距离A54 例例11用用2.5MHz、20mm直探头检测厚度为直探头检测厚度为400mm的饼形钢制锻件的饼形钢制锻件( cl=5900m/s)，检测中在，检测中在170mm 处发现一缺陷，其回波高比平底回处发现一缺陷，其回波高比平底回波低波低10dB。问。问: ( (1)1) 如何利用底波调整如何利用底波调整2 灵敏度？灵敏度？ (2)(2) 求缺陷的当量大小？求缺陷的当量大小？3. 3.作用：作用：调整灵敏度；确定缺陷当量尺寸。调整灵敏度；确定缺陷当量尺寸。解：根据题设可得解：根据题设可得 3 3N=3 342.442.4=127.2127.2mm170170mm，所以可以应用

30、，所以可以应用AVG曲线法。曲线法。 mm4 .4236. 24204mm36. 25 . 29 . 522DNfcl，Xi an Polytechnic University551 . 0202s4 . 93 .42400fDDGNxA，Xi an Polytechnic University 查查AVG曲线：过曲线：过A=9.4 =9.4 处作处作垂线交垂线交G=0.1=0.1曲线于曲线于N点，交点，交B线线于于M 点，则点，则MN对应的对应的dB值为大值为大平底与平底与2平底孔的回波分贝差平底孔的回波分贝差: =B- 2=-16-(-60)=44dB求归一化距离求归一化距离A和归一化尺寸

31、和归一化尺寸G: 归一化距离归一化距离A 调整灵敏度：调整灵敏度：调节仪器使第调节仪器使第一次底波一次底波 B1 达基准波高达基准波高( (如满刻如满刻度的度的80%) )，在此基础上提高，在此基础上提高44 dB。(1)(1)调节灵敏度：调节灵敏度：(9.4,-16)(9.4,-60)56 查查AVG曲线：过比曲线：过比 M点低点低10dB10dB的的P点作水平线，与点作水平线，与A=4 =4 的的垂线相交于垂线相交于Q 点，则点，则Q点对应的点对应的G值为值为：Gf=0.3。43 .42170ffNxA求归一化距离求归一化距离Af：(2)(2)求缺陷当量尺寸：求缺陷当量尺寸：(9.4,-2

32、6)(9.4,-16) 所以缺陷的当量尺寸为：所以缺陷的当量尺寸为： Df=GfDS=0.320=6mmXi an Polytechnic University归一化距离归一化距离A57例例22 用用2.5P14Z探头检测厚度为探头检测厚度为420mm饼形钢制工件，钢中饼形钢制工件，钢中cl=5900m/s。利用底波调整利用底波调整2平底孔检测灵敏度。检测中在平底孔检测灵敏度。检测中在 210mm 处发现有一缺陷，处发现有一缺陷，其回波比底波低其回波比底波低26dB，利用，利用AVG曲线确定此缺陷的当量大小。曲线确定此缺陷的当量大小。Xi an Polytechnic University解解

33、1 1：根据题设可得根据题设可得 3 3N=3 32121=6363mm210210mm，所以可以应用当量计算法。，所以可以应用当量计算法。mm36. 25 . 29 . 5fclmm2136. 2414422DN5814. 0142s2021420fDDGNxA，Xi an Polytechnic University 查查AVG曲线：过曲线：过A=20=20处作处作垂线交垂线交G=0.14=0.14曲线于曲线于b点，交点，交B线于线于a点，则点，则ab对应的对应的dB值为大值为大平底与平底与2平底孔的回波分贝差平底孔的回波分贝差: =B- 2=-22-(-66)=44dB求归一化距离求归一

34、化距离A和归一化尺寸和归一化尺寸G: 归一化距离归一化距离A 调整灵敏度：调整灵敏度：调节仪器使第调节仪器使第一次底波一次底波 B1 达基准波高达基准波高( (如满刻如满刻度的度的80%) )，在此基础上提高，在此基础上提高44 dB。(1)(1)调节灵敏度：调节灵敏度：a(20,-22)b(20,-66)59 查查AVG曲线：过比曲线：过比 a 点低点低26dB26dB的的c点作水平线，与点作水平线，与A=10=10的的垂线相交于垂线相交于d 点，则点，则d 点对应的点对应的G值为值为：Gf=0.2。1021210ffNxA求归一化距离求归一化距离Af：(2)(2)求缺陷当量尺寸：求缺陷当量

35、尺寸： 所以缺陷的当量尺寸为：所以缺陷的当量尺寸为： Df=GfDS=0.214=2.8mmXi an Polytechnic Universitya(20,-22)c(20,-48)d(10,-48)归一化距离归一化距离A60平底孔平底孔AVG曲线曲线 通用通用AVG曲线的局限性：曲线的局限性：在使用时要反复进行归一化的距离在使用时要反复进行归一化的距离和缺陷大小与当量大小之间的换算，很不方便。和缺陷大小与当量大小之间的换算，很不方便。二、实用二、实用AVG曲线的基本原理曲线的基本原理 实用实用AVG曲线：曲线：以声程以声程(mm)为横坐标、为横坐标、相对波高相对波高 (dB) 为为纵坐标纵坐标，以平底孔直径以平底孔直径(mm)标注标注各当量。各当量。Xi an Polytechnic University61以晶片直径为以晶片直径为D=20mm，频率，频率f=2.5MHz的纵波直探头在钢中的纵波直探头在钢中(cl=5900m/s) 的的AVG曲线为例，介绍纵波平底孔实用曲线为例，介绍纵波平底孔实用AVG曲线的制作。曲线的制作。步骤：步骤：(1)(1) 确定基准灵敏度：例如距离确定基准灵敏度：例如距离x=750mm，2mm平底孔回波高度为平底孔回波高度为0dB。(2)(2) 计算同孔