纵波发射声场

1、 超声波源发射的超声场，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，并且测试方便，因此对声场的理论分析研究一般从流体介质入手，然后在一定条件下过渡到固体介质。 又由于我们目前广泛应用脉冲反射法检测，此因本章还讨论了各种规则反射体的回波声压。 1 波源轴线上的声压分布波源轴线上的声压分布 如图31所示，将圆盘声源看成活塞声源，设该活塞声源上各点以同相位、同速度的简谐振动辐射声能。 圆盘可以看成是由无数多个面积为dS的小面积元组成，每个小面积元都是向半空间辐射球面波的点声源 点声源满足kr0N的区域，声压随距离增加而单调减的区域，声压随距离增加

2、而单调减少，称为远场区少，称为远场区 。当。当 时，声压近似球面时，声压近似球面波的规律。这是因为距离足够大时，波源各点至波的规律。这是因为距离足够大时，波源各点至轴线上某点的声程差很小，引起的相位差也很小，轴线上某点的声程差很小，引起的相位差也很小，这时干涉现象可以忽略不计。这时干涉现象可以忽略不计。Nx3 2 超声场截面的声压分布超声场截面的声压分布 横截面的声压分布：在近场区内的中心轴线上存在声压横截面的声压分布：在近场区内的中心轴线上存在声压为零的截面，如图所示为零的截面，如图所示0.5N处，但偏离中心较高。在处，但偏离中心较高。在xN的远场区，中心最高，两边渐渐低，规定的远场区，中心

3、最高，两边渐渐低，规定2N以外测以外测定声束偏离和探头定声束偏离和探头K值才准确。值才准确。图图33，4 声束横截面声压分布声束横截面声压分布 3波束的指向性和半扩散角波束的指向性和半扩散角 波源在充分远处任意一点的声压波源在充分远处任意一点的声压P(r，)与波源与波源轴线上同距离处声压轴线上同距离处声压P（r, 0）之比，称为指向性）之比，称为指向性系数，如下图所示，用系数，如下图所示，用DC表示：表示：图图36 远场中任意一点声压推导图远场中任意一点声压推导图 点波源点波源ds在至波源距离远处任意点在至波源距离远处任意点M（r, )处引处引起的声压为：起的声压为： 整个圆盘波在点整个圆盘波

4、在点M（r, )处引起的总声压幅值为：处引起的总声压幅值为： 式中：式中：J1为一阶为一阶Bessel函数函数 dSkrtjjerkPdP)(20sin)sin(2sin)sin(221010ssSsSmkRkRJrFPkRskRJrkFPP)!1( !2) 1()(121201kkyyJkkkk 指向性系数：指向性系数： 令令 ，则，则 sin)sin(2)0 ,(),(1ssCkRkRJrPrPDsinskRy .! 324! 1221)(2531yyyyJDC DC与与y的关系曲线如下图所示：的关系曲线如下图所示：图图37 源盘波束指向性示意图源盘波束指向性示意图由图可知以下结论：由图可

5、知以下结论：（1）。这说明超声场中至波源充分远处同一横截面上）。这说明超声场中至波源充分远处同一横截面上各点的声压是不同的，以轴线上的声压为最高。实际探各点的声压是不同的，以轴线上的声压为最高。实际探伤中，只有当波束轴线垂直于缺陷时，缺陷回波最高就伤中，只有当波束轴线垂直于缺陷时，缺陷回波最高就是这个原因。是这个原因。（2）当）当y=kRssin=3.73,7.02,10.17,时，时，Dc=P(r，)/P(r，)=0，即，即P(r，)=0。这说明圆盘源辐射的纵波。这说明圆盘源辐射的纵波声场中存在一些声压为零的圆锥面。声场中存在一些声压为零的圆锥面。由由y=kRssin=3.73得：得： 0a

6、rcsin1.22/Ds0-圆盘波辐射纵波声场的第一零值发散角，即半扩散角。圆盘波辐射纵波声场的第一零值发散角，即半扩散角。（3）当）当y3.73，即，即0时，时，|Ds|b的区域称为扩散区，扩散区内波束扩散衰减。的区域称为扩散区，扩散区内波束扩散衰减。 20200)2(222. 1sinDbDDsNDbs64. 144. 223）例：若用）例：若用f=2.5MHz，探头晶片直径，探头晶片直径Ds=20mm的探头的探头检测声速检测声速CL=5900m/s的钢工件，那么的钢工件，那么N、 0和和b分别分别为为)( 5 .694 .4264. 164. 126. 8105 . 2201059007

7、070704 .421059004105 . 2204463036222mmNbfDCDCfDDNsLsLss 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。近场区内声压分布复杂，理论计算困难。远场区声源轴和未扩散角。近场区内声压分布复杂，理论计算困难。远场区声源轴线上任意一点线上任意一点Q处的声压用液体介质中的声场理论可以导出，其计算处的声压用液体介质中的声场理论可以导出，其计算公式为：公式为：式中式中Fs矩形波源面积，矩形波源面积，Fs=4ab。 对上式特殊情况进行讨论可知对上式特殊情况进行讨论可知1

8、）当）当= =0时，远场轴线上某点的声压为：时，远场轴线上某点的声压为：sin)sinsin(cossin)cossinsin(r)(S0KbKbKaKaFP，r，Pr)00(S0FP，r，P 2）当当=0时，时， YOZ平面内远场某点的声压为：平面内远场某点的声压为：这时在这时在YOZ平面内的指向性系数平面内的指向性系数Dr为：为： Dr与y的关系曲线如图的关系曲线如图311所示。所示。sin)sinsin(r)0(S0KbKbFP，r，PyyKbKb，r，P，r，PDrsinsin)sinsin()00()0(图图311 矩形源矩形源Dr与y的关系曲线示意图的关系曲线示意图 由图可知，当由

9、图可知，当y= 时，时， Dr 0，这时对应的，这时对应的YOZ平面内半平面内半扩散角为：扩散角为：同理可以推出同理可以推出XOZ平面内半扩散角为：平面内半扩散角为： 由以上论述可知，矩形波源辐射的纵波声场与圆盘源不同，由以上论述可知，矩形波源辐射的纵波声场与圆盘源不同，矩形波源有两个不同的半扩散角，其声场为矩形。矩形波矩形波源有两个不同的半扩散角，其声场为矩形。矩形波源的近场区长度为源的近场区长度为bb2572arcsin0aa2572arcsin0SFN 公式公式 只适用均匀介质。实际检测中，有时近场区分布只适用均匀介质。实际检测中，有时近场区分布 在两种不同的介质中，如教材图在两种不同的介质中，如教材图313所示的水浸检测，超所示的水浸检测，超声波是先进入水，然后再进入钢中。当水层厚度较小时声波是先进入水，然后再进入钢中。当水层厚度较小时,近近场区就会分布在水、钢两种介质中。场区就会分布在水、钢两种介质中。 设水层厚度为设水层厚度为L，则钢中剩余近场区长度，则钢中剩余近场区长度N为：为：若基于水中近场区计算，则：若基于水中近场区计算，则：21222124ccLDccLNNS42SDN 式式3172112211)4()(ccLDccLNNS式式318例：用用2.5MHz、14mm纵波直探头水浸探伤钢板，已纵波直探头水浸探伤钢板，已知水层厚度为知水层厚度