超声波第二章声波发射声场与规则反射体的回波声压

第二章超声波发射声场与规则反射体的回波声压

超声波是由探头中的压电晶片(波源)发出的，而这个波源可以看作是由许

多发射声波的子波源组成，这些子波波源作同相位同振幅振动，各自发出球面子

波，并互相叠加产生干涉，使一些地方声压互相加强，而另一些地方互相减弱，

从而使超声场具有特殊的结构，声场声压分布复杂。

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。

又由于实际探伤中广泛应用反射法，因此本章在讨论了超声波发射声场以

后，还讨论了各种规则反射体的回波声压。

§2.1纵波发射声场

一、圆盘声源辐射的纵波声场

1.波源轴线上的声压分布

如图2.1所示，设液体介质中有一圆盘声源作连续活塞振动，辐射单一频率

的连续正弦波。

根据波的叠加原理，波源轴线上任意一点的声压等于波源各点发射球面波

在该点引起的声压叠加，由此求得圆盘声源轴线上的活塞波声压P为：

P=2P0sin-(jR2+x2-x)(2.1)

A

若考虑介质衰减则有：

式中：Po---波源起始声压；

R——波源的半径，波源直径D=2R；

2---波长；

X——波源轴线上某点至波源的距离;

a——介质衰减系数；

e"——介质衰减因子。

声压公式(2.1)比较复杂，为了便于计算，常将(2.1)式作如下简化:

当x>£>(2R)时，(2.])式可简化为：

当42时，进一步简化为：

P，近

(2.2)

一而

式中：F——波源的面积，4。

由(2.2)式可知，当距波源距离足够大时，波束轴线上声压与波源面积成正

比，与波长和距离成反比。对于确定的探头和工件而言，即尸和人一定时，波束

轴线上的声压与距离成反比，符合球面波声压变化规律。

圆盘声源轴线上的声压分布规律如图2.2所示。

图2.2圆盘源轴线上声压分布

由图2.2可知，波源附近的轴线上声压上下起伏变化，存在若干个极大极小

值。距波源的距离愈近，声压极大极小值的点就愈密。声学上把由子波的干涉在

波源附近的轴线上产生一系列声压极大极小值的区域称为超声场的近场区，又称

菲涅耳区。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。近场区长度N可以用下式来计算：

M£>2-A2D2R2F

/V=-----------x-----=-----=-----

4444几位（2.3）

由（2.3）式可知，超声场的近场区长度与波长成反比，与波源面积成正比。

超声波的频率愈高，波长愈短，超声场的近场区长度就愈长。波源面积愈大，近

场区长度就愈长。

由于近场区存在声压极大极小值，处于声压极大值处的较小缺陷可能回波较

高，而处于声压极小值处的较大缺陷可能回波较低，这样就可能引起误判，因此

超声波检测中总是尽量避免在近场区定量。

至波源的距离大于近场区长度（x>N）的区域称为远场区，又称夫琅和费区。

在远场区中，轴线上的声压随距离增加而单调地减少。这是因为远场区中各子波

的传播距离均已很大，波程差很小，干涉可忽略不计。当XN3N时，沿高波束轴

线上的声压与球面波相差甚微，故可利用简化后的球面波声压公式忒来分

析计算。

2.超声场截面声压分布

前面讨论的是波源轴线上的声压分布情况，未涉及声场截面轴线以外各点

的声压分布规律。下面就来讨论这个问题。

由图2.3可知，超声场中不同横截面上的声压分布是不同的。如X=0-5N的

截面中心声压为0,中心附近的声压较高，而的各截面中心声压最高，偏

离中心轴线的声压逐渐降低。实际探伤中测定探头波束轴线的偏离程度时，规定

在N以外就是这个原因。

图2.3超声场纵截面声压分布

3.波束指向性与半扩散角°。

超声波探头定向辐射超声波的性质

称为波束指向性。波束指向性的优劣常

用半扩散角％来表示。半扩散角是指超

声波定向辐射的锥角之半，即波束轴线

与边缘之间的夹角。如图2.4所示。图2.4超声场主声束和副声束

超声波的能量主要集中在2%以内的锥形区域内，此区域称为主波束。主波

束边缘声压为零，因此半扩散角％又称为声压零值发散角。主波束旁侧的波束称

为副波束。由于副波束能量低，传播距离小，因此副波束总是出现在波源附近。

圆晶片辐射的波束半扩散角为：

o4

%=arcsin1.22—«70—

DD（度）(2.4)

式中：”----波长；

D——波源晶片的直径。

4

由⑵4）式可知，半扩散角4与万比值有关，晶片直径D愈大，波长久愈短,

则°。就愈小，波束指向性就愈好。波束指向性好，超声波能量集中，检测灵敏度

高，分辨力好，定位精确。

4.未扩散区与扩散区

从理想化圆晶片辐射的声场(图2.5)可以发现，超声波扩散波束并不是从波

源开始扩散的，而是在波源附近存在一个波束并不扩散的区域，即未扩散区。未

扩散区的长度用〃表示。

图2.5圆盘源声束未扩散区域扩散区

b^\.(AN(2.5)

式中：N-----近场区长度。

在6的未扩散区内，波束可视为直径为D的圆柱体，波阵面近似平面，

波束并不扩散。因此这一区域内的声场可以看成是平面波声场，平均声压基本不

变。实际检测中薄板试块或工件前几次底波高度相差无几就是这个原因。

在的区域内，波束开始扩散，称为扩散区，这时主波束可视为底面直

径为D的截头圆锥体。当时，波束按球面波规律扩散。

二、矩形波源辐射的纵波声场

长为。、宽为8的矩形波源作活塞振动，在液体介质中辐射的纵波声场类似

于圆盘源。

当x»3N时，波束轴线上的声压为：

&(2.6)

式中：F一一矩形波源的面积，F=ab。

矩形波源纵波声场的近场区长度为:

(2.7)

矩形波源辐射的主波束为四棱锥形，如图2.6所示。

图2.6矩形波源的指向性

当。=人时，波源为正方形。波束在X和Y方向的半扩散角均为：

%=arcsin—«57—

aa（度）（2.8）

当时，波源为长方形，波束在X和Y方向的半扩散角不同。

X方向的半扩散角为：

%c=arcsi•n—4«5u7r—A

bb（度）（2.9）

Y方向的半扩散角为：

%=arcsin—«57—

aa（度）（2.10）

三、固体介质中的脉冲波声场

以上讨论的是理想条件下液体介质中的连续波声场（简称理想声场），而实际

检测常常是固体介质中的脉冲波声场（简称实际声场）。分析比较二者的异问，对

实际探伤是十分有益的。

1.波源轴线上的声压

实际声场与理想声场轴线上的声压分布如图2.7所示。由图2.7可以看出:

（1）实际声场同样存在近场区与远场区，并且近场区长度基本同理想声场，

N=21=£

即一42—成。这是因为实际声场与理想声场一样存在波的干涉。

图2.7理想与实际声场轴线上声压比较

(2)实际声场与理想声场近场区轴线上声压分布不同。理想声场极值点多，

且极大值为24,极小值为0,而实际声场极值点数量减少、且极大极小值的幅

度差异缩小。这是因为理想声场是连波产生完全干涉，实际声场是脉冲波产生不

完全干涉甚至不干涉。另外理想声场是液体介质，液体介质中的压强在各方向相

等，因此波源各点在液体介质中某处引起的声压可以进行线性叠加，而实际声场

是固体介质，波源各点在固体介质中某处引起的声压方向在二者的连线上，因此

不能简单地进行线性叠加。还有理想声场的波源为均匀激发，干涉较强。而实际

声场的波源为非均匀激发，中心振幅大，边缘振幅小，因此干涉较弱。

(3)当x>N时，实际声场与理想声场一样，随着距离增加，轴线上的声压

单调减少。当x»3N时，实际声场轴线上的声压与理想声场趋于一致，均可按球

P二里

面波声压公式入来计算。这是因为当距离足够远时，波源各点至某点的波

程差小，干涉弱，同时波源各点在该点引起的声压方向也基本一致，因此可以进

行线性叠加。这样实际声场与理想声场也就无多大差别了。

2.波束指向性与半扩散角

实验证明，实际声场的波束指向性比理想声场更好，波束更集中，但至今还

没有更精确的计算半扩散角的公式。因此实际探伤中仍按

4=arcsinl.22一«70一

D。来计算。未扩散区的长度仍按人=L64N来计算。

下面举例说明实际声场中N、4和分的计算。

例:用2.5MHz020mm直探头探伤纵波波速G=5900m/s的钢工件，求超

声场的N、°。和b。

C59

A=—==2.36(mm)

解:

D2202

N=—=----------=42.4(〃"”)

①钢中近场区长度:4A4x2.36

4=7()4=70x当=8.6。

②钢中半扩散角:°D20

③钢中未扩散区:b=L64N=1.64*42.4=70(mm)

四、近场区在两种介质中的分布

实际检测中有时近场区分布于两种不同的介质中，如带延迟块的直探头和水

浸探伤钢板。这时近场区长度计算与均匀单一介质不同。

如图2.8所示，超声波先通过介质I,然后进入介质H。

出口

A

图2.8近场区在两种介质中的分布

设介质I的厚度为L,则介质H中的剩余近场区长度N为:

N=N,-L^C-=—D---LC^-

2c44C

22(2.11)

式中：M—一近场区全部在介质n中的近场区长度;

4——介质I中的波长;

G——介质I中的波速;

G-----介质n中的波速。

例：用2.5MHz、次4帆/纵波直探头水浸探伤钢板。已知水层厚度为20mm,

钢中g=5900〃〃s,水中Q=1480m/s,求钢中近场区长度N。

C5.9

A2=—==2.36(mm)

解：钢中纵波波长

钢中近场区长度N：

D214x1420x1480

N=-------L----=15.1(mni)

44C24x2.365900

所以钢中近场区长度为15.7mm。

§2.2横波发射声场

在超声波探伤中，除了应用纵波以外，还常常应用横被。目前常用的超声波

横波是由斜探头得到的。当超声波纵波从介质I中倾斜入射到界面，如果入射角

a选在/之间时，则介质n中只存在折射横波，从而实现横波探伤。这时

超声场是一个在界面处被折射的声场。在第一介质中为纵波声场，在第二介质中

为横波声场。

不难看出，这样的横被声场比纵波声场更复杂，至今尚无精确的理论计算。

这里仅介绍一种近似的理论计算方法。

一、假想波源

图2.9所示的横波声场是由纵波声场在界面处发生波型转换得到的，分析

计算不大方便，为此特将介质I中圆片形纵波声源转换成轴线与介质II中的横波

波束轴线相重合的假想横波波源。这时整个横波声场可视为从假想横波波源辐射

出来的横波声场。

波源

6

图2.9横波声场与假想波源

设实际圆片形纵波声源的直径为D,则其虚源几何投影为一椭圆，椭圆长

轴为D,短轴为其中:

D'=D^

cosa(2.12)

式中：a纵波入射角;

B——横波折射角。

于图2.9可知，入射点至假想波源的距离发生了变化。设入射点至实际纵波

波源的距离为右，则入射点至假想横波波源的距离4为:

(2.13)

二、近场区

横被声场与纵波声场一样，由于波的干涉存在近场区，在近场区内［出现声

压极大极小值。近场区长度可用下式来计算。

N

成S2（2.14）

F=/£2亚

式中：F«——为假想波源面积，’cose；

F一一实际波源面积；

%---介质II中横波波长。

由（2.14）式计算得到的近场区长度是由假想虚波源中心算起的。近场区分

布在两种介质中，在介质n中的近场区长度为：

NR=N-L尸工皿j更

'祝,2cosatgj3（2.15）

cos£tga

由（2.15）式计算Nn比较复杂，为了简化计算，常事先算出嬴3和火/两

项。对于以有机玻璃为介质I、钢为介质H的K值（K=%⑶横波探头，不同K

值对应的cos分/cosa和吆a”g尸列于表2.1。

cos/?tga

表2.1常用K值探头对应的cose和tgB值

K值102.。2.5

cncB/cosa0.880.780.680.60

耍/糖。0.750.660.58OS

注，介质［方机戴事纵波段逮Ct4,2730m/零.

介质I纲中横鼓波速32306/8.

下面举例说明横波声场近场区长度的计算。

例：用2.5MHz、10x12〃"〃矩形晶片、立横波斜探头检测钢制工件，入射

点至实际波源的距离为15mm,钢中横波波速G2=3230根/s。求钢中的近场区长

度。

解：①求钢中横波波长:

尢=%=%

=1.29(mm)

f2.5

②查表2.4得：K=2时,

厘=0.68,比=0.58

cosatgP

③钢中横波声场近场区长度为:

Fcos/?,tga12x10„_...

=----------------L,--------------------x0.68—15x0A.58o—11.4(/w?7)

位.2cosatg/33.14x1.29

即此横波探头在钢中的近场区长度为11.4mm。

三、声束轴线上的声压

在横波声场中，近场区内波束轴线上声压变化复杂.尚无精确的实用理论计

算公式。当xN3N时，波束轴线上的声压与纵波相似。

电(2.16)

式中：P.一一假想声源起始声压；

F.cos/7

人一一假想波源的面积，’cosa.

七一一声束轴线上某点至假想声源的距离。

在有关反射体横波回波声压(或波高)计算中，对乙常采用下面两种简化处理

方式：

①取X为材料中横波声程，即忽略了探头楔内的声程，

X.=X+乙2，="1gr

②取""次/。由于％>>4,有时对常规探头，直接以4或一

定数值如10mm取代右进行计算。

由(2.16)式可知，当x23N时，横波波束轴线上的声压同纵波声场一样，与

波源的面积成正比，与波长和距离成反比。当声源面积和波长一定时，轴线上声

压与距离成反比，同样符合球面波声压变化规律。

四、指向性和半扩散角

从假想横波虚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

图2.10横波声场半扩散角

以在被检测料中定向辐射，只是声束的对称性与纵波声场有所不同，如图2.10

所示。

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e上上大于声束下半扩散角e下

6上=户2-"卜。

"下=尸也

sin力=a-b,sin=a+b,(2.17)

"S词-(等);

b=122A,'C^cosa

吟\

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。

对于圆片型声源:

=arcsinl.22-^-«70^-

DD(2.18)

对于矩型声源：

%=arcsin^-«57^-

aa(2.19)

下面举例说明横波和纵波声场半扩散角的计算。

例1；用2.5MHz、°L,K2横波斜探头检测钢制工件,已知探头中有机玻

璃纵波声速射广2^。机/5,钢中横波声速《2=3230,〃/$,求钢中横波声场的半

扩散角。

解：①有机玻璃中纵波波长

ZL1==一;;=L09(m/〃)

②钢中横波波长

C323

A2=——=：25-=

③过轴线与入射平面垂直的平面内

129

6>=70x^-=7.5°

012

④入射平面内半扩散角0上、。卜

由K=fg尸=2得：4=63.4。

sinaC,,773

—=h=arcsinF^xsin63.4°)=49.1°

由sin/C,2得：3.23

a=sin.j—(笥壬=0.895xJi：；号=0.889

xcos49.1°=0.086

DCLi12X2.73

/3]=arcsin(6r-Z?)=arcsiii(0.889-0.086)=53.4°

J32=arcsin(a+〃)=arcsin(0.889+0.086)=77.2°

e上=^2-^=77.2°-63.4°=13.8°

J下=4一四=63.4。一53.4。=10。

计算结果如图2.11所示。

例2：用2.5MHz、加2利〃纵波直探头探伤钢工件，钢中Q=5900m/s,求

其半扩散角。

C59

用=—=——=

解：f2.5

4=708=70x注=13.8°

°D12

由上述两个例子可以看出，在其他条件相同时，横波声束的指向性比纵波好,

图2.112.5MHz加2斜探头半扩散角

横波能量更集中一些。因为横波波长比纵波短。

§2.3规则形状反射体的回波声压

目前广泛应用的超声波检测方法法是声波反射法。反射法是根据缺陷反射回

波声压的高低来确定缺陷大小的。但实际上由于缺陷性质、表面状况、几何形状

以及与声束相对方向等多种复杂因素的影响，目前的检测方法尚无法测定缺陷的

真实大小。因此常常用“当量尺寸”表示缺陷的大小。在相同探测条件下，如果

缺陷反射回波声压与某种人工反射体回波声压相同，即两者的反射波高相等时，

则规则反射体的尺寸即为缺陷的当量尺寸。因此对规则反射体回波声压的研究，

已成为超声当量定量法的基础。

常用的规则反射体有平底孔、长横孔、球孔和大平底等。通常在研究规则反

射体回波声压时.均作如下假定：

(1)第一介质的材质衰减系数为零，即先不考虑工件中材质衰减的影响。

(2)界面声压反射率为1,即声波在缺陷表面全反射。

(3)声束不涉及第一介质侧面，即工件尺寸足够大，侧面对反射波无影响。

(4)以反射波达到探头的声压表示规则反射体的回波声压，回波声程与波源

至反射体的距离相同。

一、平底孔(圆片形缺陷)的回波声压

如图2.12所示，在xN3N的波源轴线上，有一个与轴线垂直的平底孔缺陷。

超声波垂直入射时产生全反射。根据惠更斯原理，波动传播到的各点都可以看作

是发射子波的波源，于是当超声波入射到平底孔时，平底孔表面各点便成了发射

超声波的新波源。由于平底孔尺寸较小，可以认为平底孔表面各点声压近似相等,

均等于波束轴线上的声压，故可将整个平底孔视为一个新的圆盘源。这时新波源

的起始声压就是波源轴线上在入射点的声压。

由圆盘声源轴线上球面波声压公式得平底孔表面入射波声压为：

一

这就是新声源的起始声压，该声源辐射的超声波束到达探头的声压，即平

底孔回波声压为：

P一产遇一呻

(2.20)

式中:与一一平底孔回波声压；

尺一一晶片起始声压；

b----晶片的面积；

%——平底孔面积，

X

0——平底孔直径；图2.12平底孔缺陷回波声压

%----波长；

x一—平底孔至波源的距离。

由(2.20)式可知，当XN3N时，对于确定的检测条件(F和彳为定值)，平

底孔的回波声压与平底孔面积成正比，与声程的平方成反比。

对于垂直线性良好的超声波检测仪，示波屏(荧光屏)上平底孔回波波高与

探头接收到的回波声压成正比：

“01_P於_x；

则平底孔族和人两回波波高的分贝差为：

A=SI-Sb=201g督=401g誉

々202M(2.21)

式中：［外一一平底孔取回波达基准波高(如三格高或满幅50强等)时衰减

的dB值，即相对波高值；

［例2一—平底孔A回波达基准波高时的dB值；

由(2.21)式可得：

P6_%2

(1)当域=△时，则号2为，若々=2%,则

△=3L—［如，=401g强=401g2=12(48)

%

，

(2)当玉=工2时，与2代,若族=右，则：

A=［。卜画2=401g强=401g2=12(48)

玉

以上说明，直径相同时，平底孔的回波声压与与声程的平方成反比，即声

程增加一倍，声压为原来的1/4,其回波波高下降12dB。

声程相同时，回波声压与与直径的平方成正比，即直径增加一倍，声压为

原来4倍，其回波波高上升12dB。

例1：用2.5MHz,直探头检测，试求200mm处05平底孔与30mm处姆

平底孔的分贝差。

解.已知.X]=200/W?,=5nm,x2=300/m?,^=2mm,

代入(2.21)式得两平底孔的分贝差

A=@L=S]2=401g/=401g1^=23S8)

(p2x~2x200

例2：用2。5MHz、加4〃?利直探头探伤一锻件，200mm处溟平底孔回波相

对波幅为6dB,探伤中在100mm处发现一缺陷回波.波幅为22dB。求此缺陷的当

量大小。

解：设此缺陷的当量尺寸为M,则有：

4=2mm,x2=200,打w

%,=100mm,A=22—6=16dB

代入(2.21)式得：

…私X3OOy

401g---------=16

2x100

解此方程得：族=2.5(/m?)

二、长横孔(圆柱形缺陷)的回波声压

如图2.13所示，在xN3N的波源轴线上，有一个与波束轴线垂直长度大于

波束宽度的长横孔。超声波在长横孔上将产生全反射，反射声束类似于球面波在

凸柱面上的反射。

图2.13长横孔对超声波的反射

a=xf=—P=KF

以…4,a代入球面波在凸柱面上反射声压公式（1.40）得长

横孔回波声压“为：

p=P「f『四r^~~

田+1+加曰―"2（4X+-

,p:皿叵

Ax（2.22）

式中：°——长横孔直径；

》——长横孔至波源的距离。

由（2.22）式可知，对于确定的检测条件，当XN3N时，长横孔的回波声压与

长横孔直径的平方根（""）成正比，与距离的二分之三次方（》"?）成反比。

示波屏上回波高与回波声压成正比，因而有:

等式两边取20倍常用对数得直径不同、距离不同的长横孔回波高的分贝差

为：

△=［。］一［河2=201g，=10lgg+301g三

%%x\（2.23）

式中：［外、［娱一一分别代表长横孔©和我回波的dB值。

由（2.23）式可得

（1）当域=。2时,

A=I。｝_妹］2=30=强=30=2=9（如

王

P#_0i

(2)当芯=工2时，「屿,若a=2。2,则

△=SL=蹄L=1。1ga=I。1g2=3(dB)

02

以上说明，直径相同时，长横孔的回波声压与声程3/2次方成反比，即声

程增加一倍，其回波波高下降9dB。

声程相同时，回波声压4与直径的1/2次方成正比，即直径增加一倍，声

压为原来的1.4倍，回波波幅上升3dBo

利用（2.23）式，可以计算任意两个

长横孔回波波幅的分贝差并进行当量计

w

算，具体方法同平底孔。

r:—,

三、球孔（球形缺陷）的回波声压

如图2.14所示，在XN3N的波束轴

线上，有一个与轴线垂直的球孔，设孔内

为空气，超声波在此产生全反射，反射波图2.14球孔对超声波的反射

束类似于球面波在凸球面上的反射。

a=x,j=—,r=——

以4Ax代入球面波在凸球面上的反射声压公式

(1.39)得球孔回波声压为:

Pd=P—L—=叱d

x+/(1+-)加2(2x+d)

a

*/d«x

•••T4

(2.24)

式中：d---球孔的直径；

x——球孔至波源的距离。

由（2.24）可知，对于确定的检测条件，当x23N时，球孔的回波声压与球孔

直径成正比、与距离平方成反比。

示波屏上波高与声压成正比，因此有

H八_%_4%2

Hd2Pd2d2Xx

根据分贝的概念得直径不同、距离不同的球孔回波分贝差为：

△=国]।一国】2=201g¥=201g，+401g至

pd2d2Xl(2.25)

由(2.25)可得

=(均2

(1)当4=出时，£，2X\若“2=2*1,则

A=[J],-M2=401g^-=401g2=12(je)

P(I\_4

(2)当*2=X|时，Pd2d2,若4=24,则

A=[J],-[c/]2=201g攻=201g2=6(dB)

d2

以上说明，直径相同时，球孔的回波声压与与声程的平方成反比，即声程

增加一倍，声压为原来的1/4,其回波下降12dB。声程相同时，回波声压与与

直径成正比，即直径增加一倍，声压为原来的2倍，其回波上升6dB。

利用(2.25)式，可求得任意两球孔的回波分贝差，并进行当量计算，具体

方法同平底孔。

四.大平底回波声压

如图2.15所示，当超声波垂直入射到大于超声波波束宽度的平底面时，设

大平底面为粗糙度远小于波长的镜面，产生全反射。若xN3N,其反射回探头的

声压相当于至波源的距离为2x处的入

射波声压，因此大平底面的回波声压

弓等于入射声压的一半，即

PB=^D_

2斯(2.26)图2.15大平底对超声波的反射

式中：了——大平底至波源的距离。

由(2.26)式可知，对于确定的检测条件，当xN3N时，大平底面的回波声

压与距离成反比，符合球面波声压变化规律。

不同距离的大平底回波声压分贝差为：

A-l5J,-［BJ2-201g^=201g^

&2%(2.27)

PR\=x2

由(2.27)式可得，PBZx\若*2=2%,则

△=［为1_［阴2=201g^=201g2=6®5)

%

这说明，大平底回波声压耳与声程成反比，即声程增加一倍，声压为原来

的1/2,其回波下降6dB。

超声波检测中，超声波在具有平行底面的工件或试决底面的反射就属于大平

底反射。

五.圆柱曲底面回波声压

1.实心圆柱体

超声波径向探伤检测XN3N的实心圆柱体，类似于球面波在凹柱面上的反

射。

_xp一R)F

a=x、j=—,P------

以4注代入(1.40)式，取“一”得实心圆柱体曲底面回波

声压为：

2I于二型

Vaa(2.28)

这说明实心圆柱体曲底面回波声压与大平底相同。

2.空心圆柱体

对于空心圆柱体，可以从外圆检测，也可以从内孔检测，显然二者的曲底面

的回波声压是不同的。

超声波外圆探伤空心圆柱体，XN3N时，类似于球面波在凸柱面上的反射,

dRFD-d

如图2.16探头A位置。以"""4'-五"一

2代入(1.40)

式，取“十”得外圆探伤空心圆柱体曲底面回波声压为

(2.29)

式中：d空心圆柱体内径;

D空心圆柱体外径。

超声波内孔探伤空心圆柱体，x»3N,类似于球面波在凹柱面上的反射，如

图2.16

探头B位置。以4疝2代入（1.40）式，取“一”得回波

声压为:

PB=

(2.30)

以上各种规则反射体的回波声压公式均未考虑介质衰减，如果考虑介质衰

2ax

减，各式均要乘以衰减因子J嬴。达时各回波声压公式为:

平底孔回波声压

p=W-藐i

厂矛Y

(2.31)

长横孔回波声压

P尸黑底•声

(2.32)

球孔回波声压

°Ax4x(2.33)

大平底与实心圆柱体曲底面回波声压

n772公

(2.34)

空心圆柱体内孔回波声压

(2.35)

空心圆柱体外圆回波声压

P0F[D-

PB___/_.e8.68

2AxVd(2.36)

式中：a——介质衰减系数，单位为dB/mm,c/8.68的单位为。

§2.4AVG曲线及其应用

描述反射体至波源的距离、反射信号的幅度（习惯用仪器增益值表示）、反射

面积当量大小三者之间相互关系的曲线称为AVG曲线，又称为距离一一波幅一一

当量曲线。A、V、G是德文距离(Abstand)、增益(Verstafkung)、大小(Gfo

Be)三者的字头。A代表反射体至波源的距离，V代表反射体回波信号的幅度，G

代表反射体的当量大小。英文为DGS曲线。

AVG曲线种类很多，一般据通用性不同分为通用AVG曲线和实用AVG曲线;

据波型不同分为纵波AVG曲线和横波AVG曲线；据反射体类型不同分为平底孔

AVG曲线和长横孔AVG曲线等。

AVG曲线比较直观地反映了各类反射体回波波高与反射体距离和当量大小

之间的变化规律。利用AVG曲线来调整检测灵敏度和对缺陷定量是比较方便的。

下面分别介绍几种常见AVG曲线的原理及其应用。

一、通用AVG曲线

1.原理

当xN3N,大平底回波相对波高

工工旦

HQ凡2Ax

平底孔回波相对波高

Hf_Pf_FFf

A=—

令N(归一化距离)

D(归一化缺陷当量大小)得：

HB_PB_兀

历一庶一刀

HfPf兀2G2

H。P.万

用dB表示其相对波高，则有

匕=201g等=201g三=201gg-20lgA

He2A2

(2.37)

%=201gU=401g*=40Ig〃+401gG—401gA

%4(2.38)

式中：Ho——始波波高；

H»——大平底底波波高；

%——平底孔缺陷波高；

Df——平底孔缺陷直径；

乂——不同距离大平底回波达始波基准高所需增益的分贝值；

匕一一不同距离平底孔缺陷回波达始波基准高所需增益的分贝值。

HH

201g乌且201g二

以IgA为横坐标，“。和"。为纵坐标，由(2.37)式得大平底

回波与距离之间的关系曲线，如图2.17中B曲线；由(2.38)式得不同G值平

底孔回波波高与距离之间的关系曲线，如图2.17中其它曲线。

通用AVG曲线423区域可以通过理论计算公式(2.37)和(2.38)计算或实

测得到。但A<3区域却只能通过具体探头对某种规则反射体试块进行实测得到。

图2.17平底孔通用AVG曲线

由图2.17所示的平底孔缺陷通用AVG曲线可见，当A<1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。

2.应用

通用AVG曲线可以用来调整检测灵敏度和对缺陷进行定量。下面举例说明

之。

例：用2.5MHz、020〃m直探头检测厚为400mm钢制饼形锻体，己知钢中

CL=5900m/5

(1)如何利用锻件底波调整溟灵敏度。

(2)探伤中在170mm处发现一缺陷，其回波比底波低10dB,求此缺陷的

当量平底孔尺寸。

解：调灵敏度

①求N

C5.9

4=—=—=2.36(mm)

f2.5

202

=42.4（，n帆）

4x2.36

②求A和G

x400

A--=9.4

N424

D.2

G=—=—=0.1

D20

③查AVG曲线

如图2.17所示，过从=9.4处作垂线交6=0.1线于2交B线于M,则MN

所对应的分贝值(44dB)为400mm处大平底与溟平底孔的回波分贝差

^=[B]-[^2]=44dB

④调整溟灵敏度

［衰减器］衰减50dB,调［增益］使第一次底波巴达基淮波高，然后去掉44dB,

［衰减器］保留6dB,至此溟灵敏度调好，即这时400mm处溟平底孔回波正好达

基准波高。如探伤灵敏度需要提高时，可将衰减器保留的数值，去掉适当的分贝

数。

(2)对缺陷定量

①求为

②求为

如图2.17所示，过为=4作垂线与过比M点低iodB的P点所作的水平

线相交于Q点，则Q点对应的G值为所求：G/=0.3。

③求缺陷的当量尺寸

Df=G/D=0.3x20=6(mm)

由以上例子看到，通用AVG曲线虽然通用性较好，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。

此外还有长横孔、球孔等通用AVG曲线，其原理与和应用与平底孔类同，这

里不再赘述。

二、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，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，如图2.18所示。

图2.18平底孔实用AVG曲线

当XN3N时，同距离大平底与平底孔回波分贝差公式为：

U9JY

A1=Lfij_[OJ=201g-^=201g—y

3渤一(2.39)

当xN3N时，相同直径不同距离平底孔回波分贝差公式为:

4=[①]1-[①]2=401g至