超声波探伤幻灯片课件第三章超声波发射声场与规则反射体分回

1、 主要内容： 纵波发射声场 横波发射声场 规则反射体的回波声压 AVG曲线 超声波探头（波源）发射的超声场具有特殊的结构。只有当缺陷位于超声场内时，才有可能被发现。 由于液体介质中的声压可以进行线性叠加，并且测试比较方便。因此对声场的理论分析研究常常从液体介质入手，然后在一定条件下过渡到固体介质。一、圆盘波源辐射的纵波声场波源轴线上声压分布xQXYZoxFPsP0P 波源轴线上任意一点声压；P0 波源的起始声压；FS 波源面积；Rs 波源半径 波长；x 轴线上Q点至波源的距离。圆盘波源轴线上的声压与距离成反比，与波源面积成正比。23sRx 近场区：波源附近由于波的干涉而出现一系列声压极大极小值

2、的区域，成为超声场的近场区。近场区声压分布不均匀,容易引起误判，甚至漏检，所以，应尽量避免近场区检测。 波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度,用N表示.P/P0N3N6N0.5NX 近场区长度与波源面积成正比，与波长成反比。 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，这样就容易引起误判，甚至漏检， 应尽可能避免在近场区检测。cfFFRDDNSssss222244 远场区 波源轴线上至波源的距离大于N的区域称为远场区。 远场区轴线上的声压随距离增加而减小； 当x3N时，声压与距离成反比，近似球面波的规律。这是因为距

3、离足够大时，波源各点至轴线上某一点的波程差很小，引起的相位差也很小，这样干涉现象可略去不计。所以远场区轴线上不会出现声压极大极小值。 超声场横截面的声压分布： 在xN的远场区，轴线上的声压最高，偏离中心声压逐渐降低，而且，分布完全对称。 实际检测中，横波斜探头K值和探头声束轴线的偏离的测定，规定要在2N以外进行就是这个原因。N/2N3N6N 波束的指向性和半扩散角 至波源充分远处任意一点的声压，如图所示xP(r,)XYZoP(r,0) 波束指向性)0Y3.83 指向性系数：DC 波前充分远处任意一点的声压P(r,)与波源轴线上同距离处声压P(r,0)之比。)0 ,(),(rPrPDc)0 ,(

4、),(rPrPDc1、DC1 说明超声场中至波源充分远处同一横截面上各点的声压不同，以轴线上的声压最高。实际探伤中，只有当声束轴线垂直于缺陷时，缺陷回波最高就是这个原因。2、半扩散角半扩散角0 0 园盘源辐射的纵波声场的第一零值发散角。 3、当0时，|DC|b的区域称为扩散区，扩散区内波束扩散，存在扩散衰减。例题: 计算2.5P20纵波直探头探测钢工件时的近场区长度N、半扩散角0和未扩散区长度b。解：由题意f=2.5MHz,Ds=20mm,CL=5900m/s 且 =CL/f 近场区长度： 半扩散角： 未扩散区长度：)(4 .421059004105 . 2204436222mmcfDDNLs

5、s26. 8105 . 220105900707070630fDCDsLs)(5 .694 .4264. 164. 1mmNb例题: 计算2.5MHz，20纵波直探头（2.5P20）探测钢工件时的近场区长度N、半扩散角0和未扩散区长度b。yxQz2a2br)0 矩形波源作活塞振动时，在液体介质中辐射的纵波声场同样存在近场区和未扩散角等。与圆盘波源辐射的纵波声场基本类似。 设矩形波源的长边为2a，宽边为2b。因为超声波检测主要在远场区，主要考虑在3N以外矩形波源与圆盘波源的相同处与不同处。波束轴线上的声压: r3N时，式中： Fs 矩形波源的面积，F=4ab 矩形波源的近场区的长度：矩形波源辐射

6、的主声束为四棱锥形，如下图所示 rFPPs/0sFN X方向的半扩散角为： Y方向的半扩散角为： 矩形波源辐射的纵波声场与圆盘波源辐射的声场不同，矩形波源有两个半扩散角，其声场横截面为矩形。 aa2572arcsin00aa2572arcsin00bb2572arcsin00 公式 只适用均匀介质。实际检测中，有时近场区分布在两种不同的介质中，如图所示的水浸检测，超声波是先进入水，然后再进入钢中。4/2sDN 当水层厚度较小时，近场区就会分布在水、钢两种介质中，设水层厚度为L，则钢中剩余近场区长度为 式中 N2 只有介质时，钢中近场长度； C1介质水中波速； C2介质钢中波速； 2介质钢中波长

7、。21222124ccLDccLNNs例：用2.5MHz，直径14mm纵波直探头水浸探伤钢板，已知水层厚度为20mm，钢中纵波声速5900m/s，水中纵波声速1480m/s，求钢中近场区长度N。解： 钢中纵波波长 （mm） 钢中近场区长度： （mm）36. 25 . 29 . 52fC7 .15590014802036. 24141442122ccLDNs 以上讨论的是液体介质，波源作活塞振动，辐射连续波等理想条件下的声场，简称理想声场。实际检测往往是固体介质，波源非均匀激发，辐射脉冲波声场，简称实际声场。它与理想声场是不完全相同的。 由图可知，实际声场与理想声场在远场区轴线上声压分布基本一致

8、。这是因为，当至波源的距离足够远时，波源各点至轴线上某点的波程明显减少，从而使波的干涉大大减弱，甚至不产生干涉。 但在近场区内，实际声场与理想声场存在明显区别。理想声场轴线上声压存在一系列极大极小值，且极大值为2P0，极小值为零。实际声场轴线上声压虽然也存在极大极小值，但波动幅度小，极大值远小于2P0。极小值也远大于零，同时极值点的数量明显减少。这可从以下几方面来分析其原因。 （1）近场区出现声压极值点是由于波的干涉造成的。理想声场是连续波，波源各点辐射的声波在声场中某点产生完全干涉。实际声场是脉冲波，脉冲波持续时间很短，波源各点辐射的声波在声场中某点产生不完全干涉或不产生干涉。从而使实际声场

9、近场区轴线上声压变化幅度小于理想声场，极值点减少。 （2）实际声场的波源是非均匀激发，波源中心振幅大，边缘振幅小。由于波源边缘引起的波程差较大，对干涉影响也较大。因此这种非均匀激发的实际波源产生的干涉要小于均匀激发的理想波源。（3）理想声场是针对液体介质而言的，而实际检测对象往往是固体介质。在液体介质中，液体内某点的压强在各个方向上的大小是相同的。波源各点在液体中某点引起的声压可视为同方向而进行线形迭加。在固体介质中，波源某点在固体中某点引起的声压方向在二者连线上。对于波源轴线上的点，由于对称性，使垂直于轴线方向的声压分量互相抵消，使轴线方向的声压分量互相迭加。显然这种迭加干涉要小于液体介质中

10、的迭加干涉，这也是实际声场近场区轴线上声压分布较均匀的一个原因。序序号号实实 际际 声声 场场理理 想想 声声 场场1 1差差异异固体介质固体介质 声压不能线性叠加声压不能线性叠加液体介质液体介质 声压可进行线性叠加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00衰减系数衰减系数=0=02 2N N极值点少极值点少极值点多极值点多极大值极大值2P2P0 0；极小值；极小值0 0P Pmaxmax=2P=2P0 0；Pminmin=0=

11、0波动幅度小波动幅度小波动幅度大波动幅度大3 3N N轴线上声压单调减小轴线上声压单调减小 4 43N3N轴线上的声压轴线上的声压 P=PP=P0 0F/X F/X 扩散角：扩散角： 0=sin=sin-1-11.22/D 1.22/D 指向性：实际声场的波束指向性比理想声场波束指向性更好，波指向性：实际声场的波束指向性比理想声场波束指向性更好，波束更集中束更集中近场长度：近场长度：N=DN=D2 2/4 /4 未扩散区：未扩散区：b=1.64N b=1.64N 一、横波波源的假设横波波源的假设 目前常用的横波探头，是使纵波倾斜入射到界面上，通过波型转换来实现横波检测的。当L=时，纵波全反射，

12、第二介质中只有折射横波。 横波探头辐射的声场由第一介质中的纵波声场与第二介质中的横波声场两部分组成，两部分声场是折射的，如下图所示，为了便于理解计算，特将第一介质中的纵波波源转换为轴线与第二介质中横波波束轴线重合的假想横波波源，这时整个声场可视为由假想横波波源辐射出来的连续的横波声场。 当实际波源为圆形时，其假想横波波源为椭圆形，椭圆的长轴等于实际波源的直径，短轴为: 式中 纵波折射角； 横波入射角。coscosssDD二、横波声场的结构二、横波声场的结构 横波轴线上的声压 横波声场同纵波声场一样由于波的干涉存在近场区和远场区。当x3N时，横波声场波束轴线上的声压为 式中 K 系数； FS 波

13、源的面积； S2 第二介质中横波波长； x 轴线上某点至假想波源的距离。 由以上公式可知，横波声场中，当x3N时，波束轴线上的声压与波源面积成正比，与至假想波源的距离成反比，类似纵波声场。coscos2xKFPsS近场区长度 横波声场近场区长度为 式中 N近场区长度，由假想波源算起 由以上公式可知，横波声场的近场区长度和纵波声场一样，与波长成反比，与波源面积成正比。coscos2sSFN 横波声场中，第二介质中的近场区长度为 式中 FS波源的面积； S2第二介质中横波波长； L1入射点至波源的距离； L2 入射点至假想波源的距离。tantancoscos122LFLNNsS 我国横波探头常采用

14、值（K=tan）来表示横波折射角的大小，常用值为1.0、1.5、2.0和2.5等。为了便于计算近场区长度，在第介质为有机玻璃;第二介质为钢的探头,特将与cos/cos、tan/tan的关系列于表2.2。k值1.01.52.02.5 Cos/ cos0.880.780.680.6 tan/tan0.750.660.580.5例1，试计算2.5MHZ、1416方晶片K1.0(2.5P1416K1)和K2.0(2.5P1416K2)横波探头的近场区长度。（钢中CS2=3230m/s）解： 由上式计算表明，横波探头晶片尺寸一定，K值增大，近场区长度将减小。)(29. 1105 . 2103230632

15、2mmfCss)(7 .4888. 029. 114. 31614coscos)(12111mmabKNs)(7 .3768. 029. 114. 31614coscos)(22222mmabKNs例2，试计算2.5MHZ、1012mm方晶片K2.0横波探头，有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区长度。（钢中CS2=3230m/s）解： tantancoscos12LabNs58. 01268. 029. 114. 31210mm13)(29. 1105 . 21032306322mmfCss半扩散角 从假想横波声源辐射的横波声束同纵波声场一样，具有良好的指向性，可以在

16、被检材料中定向辐射，只是声束的对称性与纵波声场有所不同，如下图所示。（1）在声束轴线与界面法线所决定的入射平面内，声束不再对称于声束轴线，而是声束上半扩散角上大于声束下半扩散角下（2）在通过声束轴线与入射平面垂直的平面内，声束对称于轴线，这时半扩散角可按下式计算。 对于圆片形声源： 对于矩形正方形声源： 由公式可以看出，在其他条件相同时，横波声束的指向性比纵波好，横波能量更集中一些。因为横波波长比纵波短。SSSSDD2207022. 1arcsinaaSS2572arcsin220 盲区:从探测面到能够发现缺陷的最小距离。不是近场区，盲区是脉冲宽度+仪器的阻塞效应。 横波探头晶片尺寸一定，K值

17、增大，近场区长度将减小。 频率越高，指向性越好； 小晶片指向性差，大晶片指向性好； 在其他条件相同时，横波声束的指向性比纵波好，横波能量更集中一些。 前面讨论的是超声波发射声场中的声压分布情况，实际检测中常用反射法。反射法是根据缺陷反射波声压的高低来评价缺陷的大小。然而工件中的缺陷形状性质各不相同，目前的检测技术还难以确定缺陷的真实大小和形状。反射波声压相同的缺陷的实际大小可能相差很大，为此特引用当量法。当量法是指在同样的检测条件下，当自然缺陷反射波与某人工规则反射体回波等高时，则该人工规则反射体的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量尺寸。一、规则反射体的反射波声压公式

18、一、规则反射体的反射波声压公式 超声波检测中常用的规则反射体有平底孔、长横孔、短横孔、球孔和大平底面等，下面分别讨论以上各种规则反射体的回波声压。平底孔回波声压平底孔回波声压 在X3N的圆盘波源轴线上存在一平底孔缺陷，设波束轴线垂直于平底孔，超声波在平底孔上全反射，平底孔直径较小，表面各点声压近似相等。 根据惠更斯原理可以把平底孔当作一个新的圆盘源，其起始声压就是入射波在平底孔处的声压 xFPPxS0 平底孔反射波声压 式中 P0波源的起始声压； FS波源的面积， Ff 平底孔缺陷的面积； 波长 x平底孔至波源的距离 由上式可知，当检测条件（ FS ， ）一定时，平底孔缺陷的回波声压或波高与平

19、底孔面积成正比，与距离平方成反比。 220 xFFPxFPPfSfxf任意两个距离直径不同的平底孔反射波声压之比为：二者回波分贝差为： 当Df1=Df2，X2=2X1时 , 这说明平底孔直径一定，距离增加一倍，其回波下降12db。222121222121ffffffDxDxPPHH12212112lg40lg20 xDxDPPffff)(122lg40)/lg(40)/lg(20212121dBxxPPff当X2=X1 ,Df1=2Df2，时 ,这说明平底孔距离一定，直径增加一倍，其回波升高12db )(122lg40)/lg(40)/lg(20212112dBDDPPffff长横孔回波声压长

20、横孔回波声压 当x3N，超声波垂直入射， 全反射，长横孔直径较小，长度大于波束截面尺寸时，超声波在长横孔表面的反射就类似于球面波在柱面镜上的反射。 长横孔回波声压 式中 Df 长横孔的直径。 由上式可知，当探测条件（ FS ， ）一定时，长横孔回波声压与长横孔的直径平方根成正比，与距离的二分之三次方成反比。 xDxFPPfSf220任意两个距离、直径不同的长横孔回波分贝差为： 当Df1=Df2，X2=2X1时 , 这说明:长横孔直径一定，距离增加一倍，其回波下降9db。3123212112lg10lg20 xDxDPPffff)(92lg30)/lg(30)/lg(20212121dBxxPP

21、ff当X2=X1 ,Df1=2Df2，时 , 这说明：长横孔距离一定，直径增加一倍，其回波升高3 db)(32lg10)/lg(10)/lg(20212112dBDDPPffff短横孔回波声压短横孔回波声压 短横孔是长度明显小于波束截面尺寸的横孔，设短横孔直径为Df，长度为Lf。当X3N时，超声波在短横孔上的反射回波声压为： LfxDsDf 由上式可知，当探测条件（ FS ， ）一定时，短横孔回波声压与短横孔的长度成正比，与直径的平方根成正比，与距离的平方成反比。ffSfDxlxFPP20 任意两个距离、长度和直径不同的短横孔回波分贝差为： 当Df1=Df2，Lf1=Lf2,X2=2X1时 ,

22、 这说明短横孔直径和长度一定，距离增加一倍，其回波下降12db，与平底孔变化规律相同。21414222212112lg10lg20ffffffDDxxllPP)(122lg40)/lg(40)/lg(20122112dBxxPPff当X2=X1 ,Df1=Df2，Lf1=2Lf2时 , 这说明短横孔直径和距离一定，长度增加一倍，其回波上升6db。（3）当X2=X1 ,Df1=2Df2，Lf1=Lf2时 , 这说明短横孔长度和距离一定，直径增加一倍，其回波升高3 db)(62lg20)/lg(20)/lg(20212112dBllPPffff)(32lg10)/lg(10)/lg(2021211

23、2dBDDPPffff大平底面回波声压大平底面回波声压 当X3N时，超声波在与波束垂直、表面光洁的大平底面上的反射就是球面波在大平面上的反射，x其回波声压为: 由上式可知，当探测条件（ FS ， ） ）一定时，大平底面回波声压与距离成反比。 xFPPSB20两个不同距离的大平底面回波分贝差为： 当X2=2X1 时这说明大平底面距离增加一倍，其回波下降6db。122112lg20lg20 xxPPBB)(62lg20)/lg(20)/lg(20122112dBxxPPBB 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。Dfx 当X3N时，超声波在球孔上的反射就类似于球面波

24、在球面上的反射，其回波声压为: 由上式可知，当探测条件（Fs，）一定时，球孔回波声压与距离的平方成反比，与球孔直径成正比。 204 xDFPPfSf 任意两个直径、距离不同的球孔的回波分贝差为： （1）当Df1=Df2,x2=2x1时， 这说明球孔直径一定，距离增加一倍，其回波下降12 dB，与平底孔变化规律相同。2122212112lg20lg20 xDxDPPffffdBxxPPff12)/lg(40)/lg(20122112（2）当Df1=2Df2,x2=x1时， 这说明球孔距离不变，直径增加一倍，其回波上升6 dBdBDDPPffff6)/lg(20)/lg(20212112实心圆柱体

25、曲底面回波声压 ax球面波在凹柱面上的反射声压：这里a=x， P1/a:球面顶点处入射波的声压f=D/4=x/4,代入上式 这说明实心圆柱体反射波声压与大平底面回波声压相同。xFPBsP20)/1()/1(1axfxaxfaPxPxFPaPS01 空心圆柱体曲底面回波声压空心圆柱体曲底面回波声压-外柱面径向探伤 上式说明外圆检测空心圆柱体，其回波声压低于同距离大平底面回波声压。因为凸柱面反射波发散。DdxFPPSB20空心圆柱体曲底面回波声压-内柱面径向探伤 上式说明内孔检测圆柱体，其回波声压大于同距离大平底回波声压。因为凹柱面反射波聚焦。 dDxFPPSB20 以上各种规则反射体的反射波声压

26、公式均未考虑介质衰减，如果考虑介质衰减，则所有公式均应增加式中：x 反射体至探头的距离，x 3N 介质单程衰减系数，dB/mm68. 82axe AVG 曲线是描述规则反射体的距离A、反射波高度V及当量大小G之间关系的曲线。A、V、G是德文距离、增益和大小的字头缩写。英文缩写为DGS。AVG曲线可用于对缺陷定量和灵敏度调整。 AVG曲线有多种类型，根据通用性分为通用AVG和实用AVG；据波型不同分为纵波AVG和横波AVG；据反射体不同分为平底孔AVG和横孔AVG等。 下面以纵波平底孔为例来说明AVG曲线的原理和绘制方法。一、纵波平底孔AVG曲线 1、通用AVG曲线适用于所有纵波探头 当X3N，

27、不考虑介质衰减时，大平底面与平底孔回波声压为 当仪器的垂直线性良好时，示波屏上波高与声压成正比。xFPPSB20220 xFFPPfSfxFPPHHSBB2002200 xFFPPHHfSff为了简化计算，对上式进行归一化处理。令 ， ，并代入上式得若用dB表示波高，则有 式中 A归一化距离； G归一化缺陷当量大小； V1底波与始波高dB差； V2平底孔回波与始波高dB差。SFxNxASfSfFFDDGAPPHHBB20022200AGPPHHffAHHVB2/lg20)/lg(2001AGHHVf/lg40)/lg(2002 纵波平底孔通用AVG曲线 图中V均为负dB值，说明各底波与平底孔反

28、射波均比始波低，需要增益相应dB值，才能达到与始波等高。 在A3的区域内，由于理论公式不适用，因此该区域的曲线一般不绘出或由实测得到。 由平底孔缺陷通用AVG曲线可见，当A1时，由于波的干涉，使平底孔回波声压趋于复杂化，出现极大极小值。但对于大平底而言，其回波几乎不随距离变化，在这个区域内的入射波可视为平面波的一部分，平均声压为常数。 通用AVG曲线由于采用了归一化距离和归一化缺陷当量大小，因此通用性好，适用不同规格的探头。 通用AVG曲线可以用来调整检测灵敏度和对缺陷进行定量。 例如，用2.5MHZ、20mm直探头探测厚400mm钢制饼形锻件，已知钢中 ，检测中在170mm处发现一缺陷，其回

29、波高度比底波低10dB。如何利用底波调整2平底孔灵敏度？求此缺陷的当量平底孔尺寸为多少？ 解:调灵敏度 1、求 NsmCL/5900smCL/5900smCL/5900)(36. 2105 . 2109 . 566mmfC)(4 .4236. 2420422mmDNS2、求400mm处，2mm平底孔对应的A和G 3、查AVG曲线 过A=9.4处作垂线交G=0.1线于N，交B线于M，则MN所对应的分贝值为400mm处大平底与2平底孔的反射波分贝差： =B-2=44dB 4 . 94 .42400NxA1 . 0202sfDDG4、调整2灵敏度 调节仪器使第一次底波B1达基准波高（例如80%），然

30、后释放44dB（增益型仪器，增加44dB，衰减型仪器，衰减44dB），至此2灵敏度调好，即这时400mm处2平底孔回波正好达基准波高。 对缺陷定量 1、求Af 2、求Gf 过Af =4处作垂线,与比点M低10dB的P点作的水平线相交于Q点，则Q点所对应的G值为所求： Gf =0.3。44 .42170NxAff3、求缺陷的当量尺寸 通用AVG曲线虽然通用性好，但使用中要进行归一化换算，不大方便，为此引入了适用于特定探头的专用AVG曲线，常称实用AVG曲线。)(6203 . 0mmDGDff)(6203 . 0mmDGDff2、实用AVG曲线 以横坐标表示实际声程，纵坐标表示规则反射体相对波高，

31、用来描述距离、波幅、当量大小之间的关系曲线，称为实用AVG曲线，下图为平底孔实用AVG曲线 实用AVG曲线可由以下公式得到。不同距离的大平底反射波dB差不同距离的不同大小平底孔反射波dB差同距离的大平底与平底孔反射波dB差1221lg20lg20 xxPPBB122121lg40lg20 xDxDPPffff22lg20lg20ffBDxPP 用以上公式计算绘制实用AVG曲线时，要统一灵敏度基准。例如上图 是x=750mm，2平底孔为0dB。 实用AVG曲线中X3N部分，可由理论公式计算得到，还可由实测CS-试块得到或由通用AVG曲线进行转换得到，但x3N的区域只能通过实测得到。 例：晶片直径D=20mm，频率2.5MHZ纵波直探头，利用公式绘制钢中的实用AVG曲线。解：（1）首先要确定一个统一的灵敏度基准。 例如确定的基准为x=750mm时，2平底孔的回