超声波探伤幻片课件第三章 超声波发射声场与规则反射体分回波声压.ppt

第三章 超声波发射声场与规则反射体分回波声压 黄新超 河南省锅炉压力容器安全检测研究院 2010年4月 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。 3.1 纵波声场 一、圆盘波源辐射的纵波声场 波源轴线上声压分布 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，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. 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。 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的近场区，中心轴线上的声压不一定最大；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。 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 波束指向性 指向性系数：DC 波前充分远处任意一点的声压P(r,θ)与波源轴线上同距离处声压P(r,0)之比。 1、DC≤1 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θ0 －园盘源辐射的纵波声场的第一零值发散角。 3、当θθ0时，|DC|0.15,说明半扩散角以外的声压很低，超声波的能量主要集中在半扩散角以内。2θ0以内的波束称为主波束（或主声束），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声束指向性。 4、由θ0≈70λ/DS可知，增加探头直径DS，提高探伤频率f,半扩散角θ0将减小，即可以改善声束的指向性，使超声波的能量更加集中，有利于提高探伤灵敏度。但由 可知，增加探头直径DS和提高探伤频率f,近场区长度增加，对探伤不利。因此，在实际探伤中，要综合考虑DS和f对θ0及N的影响，合理选择DS和f。一般是在保证探伤灵敏度的前提下尽可能减小近场区长度。 波束未扩散区与扩散区 超声波波源辐射的超声波是以特定的角度向外扩散出去的，但并不是从波源开始扩散的，而是在波源附近存在一个未扩散区，b=1.64N，在未扩散区b内，波束不扩散，不存在扩散衰减，各截面声压基本相同。因此，薄板试块前几次底波相差无几。 到波源的距离xb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θ0和未扩散区长度b。 解：由题意f=2.5MHz,Ds=20mm,CL=5900m/s 且 λ=CL/f 近场区长度： 半扩散角： ° 未扩散区长度： 例题: 计算2.5MHz，φ20纵波直探头（2.5P20）探测钢工件时的近场区长度N、半扩散角θ0和未扩散区长度b。 二、矩形波源辐射的纵波声场 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: r≥3N时， 式中： Fs —矩形波源的面积，F=4ab 矩形波源的近场区的长度： 矩形波源辐射的主声束为四棱锥形，如下图所示 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