超声波声场课件

江苏省特种设备无损检测考委会第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压RTⅢ级、UTⅢ级、PTⅢ级、MTⅢ级联系电话：第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压主要内容第一节纵波发射声场

第二节横波发射声场

第三节聚焦声源发射声场

第四节规则反射体的回波声压

第五节AVG曲线

第三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由于液体介质中的声压可以线性叠加，本节对超声波声场的理论分析从液体介质入手，在一定条件下过渡到固体介质1.波源轴线上的声压分布

当X≥2Rs时

第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压圆盘源轴线上声压分布第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压返回（1）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的区域，称为超声场的近场区。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称为近场区长度，用N表示。结论：近场区长度，与波源面积成正比，与波长成反比第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压讨论：声压极小值对应的距离（2）远场区：波源轴线上至波源的距离x＞N的区域称为远场区。

远场区轴线上的声压随距离增加单调减少。当x＞3N时，声压与距离成反比，近似球面波的规律，因为距离足够大时，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。

第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压2、超声波声场横截面声压分布情况第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压圆盘源波束指向性结论：第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压（3）当y＞3.83，即θ＞θ0时，︱Dc︱＜0.15说明半扩散角θ0以外的声场声压很低，超声波的能量主要集中在半扩散角θ0以内。因此可以认为半扩散角限制了波束的范围。2θ0以内的波束称为主波束，只有当缺陷位于主波束范围时，才容易被发现。以确定的扩散角向固定的方向辐射超声波的特性称为波束指向性。举例讨论：

b=1.64N=1.64×42.4=69.5mm

第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压N=θ0=70λ/Ds=70若其它条件不变，DS=14mm，则若其它条件不变，f改变，会怎样？

F=5MHz第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压N=θ0=70λ/Ds=70b=1.64N=1.64×20.7=33.9mm二、矩形波源辐射的纵波声场

半扩散角θ0

（度）第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压在YOZ平面内在XOZ平面内矩形波源的近场区长度N

第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压三、纵波声场近场区在两种介质中的分布

当超声波从第一介质入射到第二介质中时，设第一介质厚度为L，则第二介质中剩余近场长度N为：注意：N2为假设声场全部在第二介质中的近场长度N为声场在第二介质中剩余的近场长度是因为：1、理想声场是连续波，实际声场是脉冲波。2、由于脉冲波是由许多不同频率的正弦波、余弦波所组成，每种频率的波决定一个声场，因此总声场就是各不同声场的迭加。3、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。4、理想声场是针对液体介质而言，实际声场往往是固体介质。

第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压四、实际声场与理想声场的比较结论：实际声场与理想声场在远场区轴线上声压分布基本一致。但在近场区实际声场与理想声场存在明显的区别。见图二、横波声场的结构

1、波束轴线上的声压P

当x≥3N时，第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压如果实际波源为圆形，则假想波源为椭圆形，椭圆长轴为实际波源直径DS，而短轴DS’为：结论：横波声场中，当X≥3N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。2、近场区长度

横波声场近场区长度（从假想波源算起）：

第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压结论：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。

例题计算2.5MHz、14*16mm方晶片K1.0和K2.0横波探头的近场长度N（钢中Cs2=3230m/s）

λs2

=Cs2

f=3.232.5=1.29(mm)

=N1(K1)abcosβ1

Πλs2cosа1

=14*16

3.14*1.29

=*0.88

48.7(mm)

N2(K2)

=------=37.7(mm)

以上计算表明：横波探头晶片尺寸一定，K值越大，近场长度将减小

第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压三、横波声场半扩散角

思考题：计算2.5MHz、10*12mm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长度N’。

第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压另外一种计算方法1、计算纵波入射角α，横波折射角β2、计算纵波半扩散角θ03、计算纵波上入射角α上=α+θ04、计算纵波下入射角α下=α-θ05、计算横波上折射角β上=arcsin(sinα上*C2/C1)6、计算横波下折射角β下=arcsin(sinα下*C2/C1)则横波上半扩散角为θ上=β上-β横波下半扩散角为θ下=β-β下对于圆形声源对于矩形正方形声源

结论：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。第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压3、聚焦探头的应用：铸件、奥氏体钢的检测，裂纹高度的测定。端点衍射法JB4730/T-2005附录IP130第三节聚焦声源发射声场1、聚焦探头的优点：声束细，灵敏度高。2、聚焦探头的缺点：声束细，每次扫查范围小，探测效率低，探头的通用性差，每只探头仅适用于探测某一深度范围内的缺陷。第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压返回结论：平底孔直径一定，距离增加一倍，其回波下降12dB平底孔距离一定，直径增加一倍，其回波升高12dB探头接收到的平底孔回波声压Pf任意两个直径不同、距离也不同的平底孔回波分贝差第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压二、长横孔回波声压当X≥3N任意两个直径不同、距离不同的长横孔回波声压分贝差结论：长横孔直径一定，距离增加一倍，其回波下降9dB。长横孔距离一定，直径增加一倍，其回波升高3dB。第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压三、短横孔回波声压当X≥3N

结论：短横孔直径和长度一定，距离增加一倍，其回波下降12dB短横孔直径和距离一定，长度增加一倍，其回波升高6dB短横孔长度和距离一定，直径增加一倍，其回波升高3dB第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压四、球孔回波声压结论：球孔直径一定，距离增加一倍，其回波下降12dB。球孔距离不变，直径增加一倍，其回波升高6dB。

第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压当X≥3N五、大平底面回波声压结论：大平底距离增加一倍，其回波下降6dB。

第三章超声波发射声场与规则、反射体的回波声压当X≥3N六、圆柱曲底面回波声压结论：实心圆柱体回波声压与大平底回波声压相同第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压1、实心圆柱体当X≥3N2、空心圆柱体结论：外圆探伤空心圆柱体，其回波声压低于同距离大平底回波声压。第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压当X≥3N，超声波外柱面径向探伤空心圆柱体

当X≥3N，超声波内孔探伤空心圆柱体

结论：内孔探伤圆柱体，其回波声压大于同距离大平底回波声压。

第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压小结：球孔与平底孔波高dB差△dΦ：第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压横孔与平底孔波高dB差△Φφ：第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压第五节AVG曲线AVG曲线是描述规则反射体的距离、回波高及当量大小之间关系的曲线。A、V、G是德文距离、增益和大小的字头缩写。AVG曲线可用于对缺陷定量和灵敏度调整。AVG曲线分为通用AVG和实用AVG一、纵波平底孔AVG曲线1、通用AVG曲线当X≥3N，可用理论公式计算返回当X＜3N，理论公式不适用，该区域的曲线一般不绘出或由实测得到。通用AVG曲线通用性好，适用于不同规格的探头。采用归一化处理A=x/N，G=Df/Ds横坐标表示lgA，纵坐标表示V第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压图2.24中B曲线为大平底回波波高V与归一化距离A之间关系其他曲线表示不同归一化当量大小的平底孔回波波高与其归一化距离A之间关系不同距离的不同大小平底孔回波dB差实用AVG曲线从下列公式得到：不同距离的大平底回波dB差第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压2