第3章 超声波发射声场与规则反射体的回波声压

1、第三章第三章 超声波发射声场与超声波发射声场与 规则反射体的回波声压规则反射体的回波声压Chapter3 Sound Field & Echo Chapter3 Sound Field & Echo Sound Pressure Sound Pressure 目目 录录 ContentsContents3.1 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 聚焦声源发射声场聚焦声源发射声场3.4 3.4 规则反射体的回波声压规则反射体的回波声压3.5 AVG3.5 AVG曲线曲线3.1 3.1 纵波发射声场纵波发射声场3.1.1 3.1.

2、1 圆盘波源辐射的纵波声场圆盘波源辐射的纵波声场3.1.2 3.1.2 矩形波源辐射的纵波声场矩形波源辐射的纵波声场3.1.3 3.1.3 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3.1.4 3.1.4 实际声场与理想声场比较实际声场与理想声场比较3.1.1 3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场圆盘波源辐射的纵波声场2202022002sin()22sin)23/sssssssPPRxxRxxRRPPxxRPRP FPxx声轴线上的声压幅值为：式中：声源半径；声程。当时：（当（足够远）时：1.1.波源轴线上声压分布波源轴线上声压分布3.1.1 3.1.1 圆盘波源辐射的纵

3、波声场圆盘波源辐射的纵波声场n理论计算n仿真3.1.1 3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场圆盘波源辐射的纵波声场n近场区（菲涅尔区）：近场区（菲涅尔区）：在声源附近由于波的干涉波的干涉而出现一系列声压极大值和极小值的区域。n在近场区内，声束不扩散。在近场区内，声束不扩散。n近场区长度近场区长度N N：波源轴线上最后一个声压极大值到：波源轴线上最后一个声压极大值到波源的距离波源的距离222222222()(21)4 (21)0,44ssssssRxxDnxnnnDDRFN当（2n1） 时，声压有极大值：2式中： 正整数，取即声压的最后极大值出现的声程：3.1.1 3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声

4、场圆盘波源辐射的纵波声场n注：波源轴线上最后一个声压为注：波源轴线上最后一个声压为0 0的距离是的距离是0.5N0.5Nn远场区（远场区（xN）：）：声压随距离增加单调减小；n足够远场（足够远场（x3N）， 声压与声程成反比近似球面波的规律所有规则反射体回波声压计算的基础。2222()(2)81 2 3 4.ssRxxDnxnn当n 时，声压有极小值：、 、 时对应的声程约为N/2、N/4、N/8.0/sPPFx3.1.1 3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场圆盘波源辐射的纵波声场n2.2.超声场横截面声压分布超声场横截面声压分布n近场区（近场区（xN)x 下下）：211221121sin,si

5、n1.22sin1 ()1.22cosLsLssLa babaDcbDc上下3.2.2 3.2.2 横波声场的结构横波声场的结构n横波垂直入射横波垂直入射220220arcsin1.2270arcsin5722ssssssDDaa对圆形声源：对正方形声源：3.3 3.3 聚焦声源发射声场聚焦声源发射声场3.3.1 3.3.1 聚焦声场的形成聚焦声场的形成3.3.2 3.3.2 聚焦声场的特点与应用聚焦声场的特点与应用3.3.1 3.3.1 聚焦声场的形成聚焦声场的形成n分类：水浸、接触分类：水浸、接触3.3.2 3.3.2 聚焦声场的特点与应用聚焦声场的特点与应用n声压分布声压分布n可见，焦距

6、可见，焦距F F越小，越小，B=N/FB=N/F越大，聚焦效果越好。越大，聚焦效果越好。n若焦距若焦距FNFN，B1B1，几乎失去聚焦意义。，几乎失去聚焦意义。3.3.2 3.3.2 聚焦声场的特点与应用聚焦声场的特点与应用n理想焦点是几何点或线理想焦点是几何点或线按照几何声学在理想的情况下得到；n实际焦点并非点或线，而是焦柱实际焦点并非点或线，而是焦柱干涉、声透镜存在球差。n焦柱尺寸：22/2/2/dFRLFRL dF RFR焦柱直径： 焦柱长度： 式中： 焦距；声源半径。3.3.2 3.3.2 聚焦声场的特点与应用聚焦声场的特点与应用n粗晶材料检测粗晶材料检测声束细，散射概率小，信噪比高，

7、灵敏度高；n缺陷尺寸测量缺陷尺寸测量更准确；n裂纹高度测量裂纹高度测量用TOFD检测技术测量准确；n缺点：缺点：声束细、检测效率低声束细、检测效率低； 固定焦距探头仅适用于一定深度范固定焦距探头仅适用于一定深度范围。围。3.4 3.4 规则反射体的回波声压规则反射体的回波声压n大平底大平底 Flat BottomFlat Bottomn平底孔平底孔 Bottom-Drilled Hole Bottom-Drilled Hole n长横孔长横孔 Long Side-Drilled HoleLong Side-Drilled Holen短横孔短横孔 Short Side-Drilled HoleS

8、hort Side-Drilled Holen球孔球孔 SphereSpheren大直径圆柱体大直径圆柱体 Huge Diameter CylinderHuge Diameter Cylinder计算的前提计算的前提 所有规则反射体回波声压计算的前提：所有规则反射体回波声压计算的前提：0 x3N 2sFPPxx1、反射体在声场的足够远处： 声轴线上声压随声场的变化规律近似球面波：、反射体表面光滑、声束垂直入射、声压全反射。大大 平平 底底 02sBFPPx大平底回波声压：规律：声压与声程成反比、与频率成正比。122112001212XX2220lg20lgssBBBBFFPPPPxxPxdBP

9、x两厚度分别为，的大平底的回波声压分别为：所以，距离相差一倍，其回波声压相差6dB.平底孔平底孔平底孔回波声压平底孔回波声压0022ssfsfFPPxF FPxFFxf平底孔处的声压：探头接收到的平底孔回波声压： P式中：声源面积；平底孔面积。规律：回波声压与平底孔直径的平方成正比、与声程的平方成反比、与频率的平方成正比。平底孔平底孔两平底孔回波比较两平底孔回波比较n平底孔孔径差1倍：回波声压差 12 dBn平底孔声程差1倍：回波声压差 12 dB120022221221212212120lg20lg40lgssFFFFPPPPxxPDxDxdBPDxDxf1f2f1f2声程和孔径不同的两平底

10、孔回波声压：二者的回波声压（高度）差： 平底孔平底孔平底孔与大平底比较平底孔与大平底比较002222220lg20lg2sfsBBfBBfF FFPPPPxxPd xdBPxff大平底和平底孔的回波声压分别为： 两回波的声压（高度）差为： 应用：底波法调整灵敏度、缺陷当量计算。长长 横横 孔孔 n规律规律：长横孔回波声压与直径的平方根成正比、长横孔回波声压与直径的平方根成正比、 与声程的与声程的3/23/2次方成反比、与频率成正比。次方成反比、与频率成正比。n孔径相同，声程差一倍，回波差9dBn声程相同，孔径差一倍，回波差3dB.01311 212322 12220lg10 gfsffffDP

11、FPxxPD xlPD xV长横孔回波声压：两长横孔回波声压（高度）差： 短短 横横 孔孔n规律规律：短横孔回波声压与长度、直径平方根成短横孔回波声压与长度、直径平方根成正比、与声程的平方成反比、与频率成正比。正比、与声程的平方成反比、与频率成正比。024111212242212220 g10lgffsffffffflDPFPxxPlDxlPlxDV短横孔回波声压：两短横孔回波声压（高度）差： 球球 孔孔n规律规律： 球孔声压直径成正比、与声程的平方成球孔声压直径成正比、与声程的平方成 反比、与频率成正比。反比、与频率成正比。n直径一定，声程相差一倍，声压差12dBn声程一定，直径相差一倍，声

12、压差 6dB0211 212222 1420 g20lgfsfffffDPFPxxPD xlPD xV球孔的回波声压：两球孔的回波声压（高度）差： 大直径圆柱体大直径圆柱体实心实心n圆柱体回波声压：n可见：与厚度与直径相同的大平底相同。可见：与厚度与直径相同的大平底相同。02sFPPDD大直径圆柱体大直径圆柱体空心空心0022sBsBPFdPsDPFDPxd从外圆周径向入射时回波声压：从内圆周径向入射时回波声压：可见，从外圆周面入射时比大平底回波低，因为内壁凸面发散。 从内圆周径入射时比大平底回波高，因为外壁凹面聚焦。规则反射体的回波声压规则反射体的回波声压n若考虑介质衰减，回波声压应为：20

13、8 . 6 822208 . 6 8208 . 6 8208 . 6 8208 . 6 8208 . 6 8208 . 6 82224222a xsffa xfsfa xffsfa xfsfa xsBa xsBa xsBPFFPexDPFPexxlDPFPexxDPFPexxPFPexPFdPexDPFDPexd平底孔：长横孔：短横孔：球孔：大平底与实心圆柱体：空心圆柱体外圆入射：空心圆柱体内圆入射：3.5.1 3.5.1 纵波平底孔纵波平底孔AVGAVG曲线曲线3.5.2 3.5.2 横波平底孔横波平底孔AVGAVG曲线曲线3.5 AVG3.5 AVG曲线曲线3.5.13.5.1纵波平底孔纵

14、波平底孔AVGAVG曲线曲线通用曲线通用曲线n制作：x3N 计算; x3N 实测202200084420lg20lg20lg20lg2220lg40lg40lg40lg40lgsBfsffsBBffDPPxDDPxxDxAGNDPVAPAPGVGAPA大平底回波声压：平底孔回波声压：P归一化声程：， 归一化缺陷当量：大平底相对波高：平底孔相对波高：3.5.13.5.1纵波平底孔纵波平底孔AVGAVG曲线曲线通用曲线通用曲线3.5.13.5.1纵波平底孔纵波平底孔AVGAVG曲线曲线通用曲线通用曲线n优点优点： 通用性强，适用于不同探头。n缺点：缺点： 归一化计算复杂。3.5.13.5.1纵波平

15、底孔纵波平底孔AVGAVG曲线曲线通用曲线通用曲线例：用例：用2.5P202.5P20直探头检测厚度为直探头检测厚度为400mm400mm的的钢锻件，已知纵波声速为钢锻件，已知纵波声速为5900m/s5900m/s，在，在170mm170mm处发现一缺陷，其回波比底波低处发现一缺陷，其回波比底波低10dB10dB。（1 1）如何用底波调整）如何用底波调整2mm2mm灵敏度？灵敏度？（2 2）求此缺陷的当量平底孔尺寸。）求此缺陷的当量平底孔尺寸。3.5.13.5.1纵波平底孔纵波平底孔AVGAVG曲线曲线实用曲线实用曲线n制作制作 以特定仪器和探头，在不同深度和孔径的反射体试块上实测。n优点优点 使用简单，无需归一