超声波直探头声场的数值计算方法new

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1、年月北方交通大学学报第卷第期超声波直探头声场的数值计算方法滕永平张洪生北方交通大学物理系,北京怀化电视大学、,摘要根据直探头的几何尺寸频谱特征和传声介质的衰减系数利用高斯波,计近似的方法可以计算出直探头的声场分布算结果与水浸法声场浏试的实验结果符合得较好,超,关键词超声检浏声探头声场分布分类号,,,、在超声波探伤中声场的分布情况直接影响探伤结果因此对声场特性如近场长度指向角、对称性等的测量成为超声波检测技术中一个重要领域也因此发展了多种声场测试方「,〕,、,法本文介绍一种数值计算方法根据直探头的几何尺寸频谱特征和传声介质

2、的衰减系数就可计算出声场的分布直探头声场按活塞声源的近似处理把,直探头圆形晶片作为理想的活塞声源其辐射声场中声压的分布可用数学解析式表示如下砚一一式中,为介质、晶片尺寸和声波频率有关的常数为晶片半径为声场中某一点到晶片中、,心的距离为该点偏离晶片中心轴线的角度。为一分别为介质中声波圆频率和波数阶贝塞耳函数由式可知理想活塞声源辐身声场的复杂构成,如近场长度、近场区的多个极大值和极、,,小值声束的主瓣和多个副瓣等但是用于实际的探头其压电振子上各处的振幅是不均匀的,,发射的超声波为脉冲波有一定的频带宽度且声波在介质中会产生衰减

3、等这些因素使得被探工件中声场的特征值发生变化,如近场长度变短、近场区的极值个数减少、副瓣减弱甚至消失等为,了使理论计算更好地符合实际可以在圆形晶片理想活塞声源的基础上加上脉冲波高斯,波形修正和介质衰减修正具体方法如下用高斯波调制的球面波近似处理直探头圆形声源作为活塞声源可以看成由无限多个点状声源组成,对,二于理想的活塞波每个点状声源都在个半空间连续辐射球面波但实际上,,直探头发射声波在时间上是脉冲式的即有一定的时间宽度对于这种非理想的活塞波我们可以假,设每个点状声源是在的半空间辐射时间上经高斯波调制的单频球面波即写成。。

4、’·砚一叨一一一〕一一本文收到一一日期北方交通大学学报第卷,,。式中为高斯波系数与脉冲波频谱特性有关为声波从声源传播到声场中距声源为处时,所需时间它们的波形及频谱特征如图所示,,,同时我们还假设在同一时刻晶片上各点的振幅格等那么当晶片上的声压传到声场中,处该点的声压可表示为·。旦茎二兰,‘’一「赵上工工二丝兰望上卫尘些门丁。式中为常数为晶片上某一微元山到达处的距田波形离系数可通过脉冲波的,,即一训曰公叫频谱特征值求出对脉冲波进行付利叶变换如图,所示得到其一频△,进带宽度而计算出‘·“二△卿〕衰减修正这里讨论的衰减是指由散

5、射和吸收产高斯波球面波脉冲波生的它使声波在介质中传图高斯波近似播变,弱所能传播的距离变,,短考虑到衰减的影响式可修正为。,、,一,一一,‘一,。,一‘斑〕、少一,式中月为声波在介质中的衰减系数声场的数值计算和实验测试结果的讨论,从数学推导出式是非常困难的这里我们用计算机数值计算的方法求声场的分布为,了便于同实验比较我们计算了各种直探头在水中的声场分布情况图给出了直探头圆形晶片理想活塞波和经高斯波调制的活塞波声场中声压分布的灰阶,图和中心轴线上声压曲线两种情况中中心轴线上近场长度处声压幅度均为写声场分,、、,布用四级灰阶表

6、示灰度从深至浅分别表示声压幅度和图给出了对应直探头声场分布的测试结果,实—验用电敏记录纸绘出了反射波高分别为、器’’月石月袱理想活塞波高斯波调制的活塞波图直探头在水中声场分布的计算结果第期滕水平等超声波直探头声场的数值计算方法、和的四级灰阶等压线声场分布图中心轴线上声压曲线用一绘图仪记录从图、中可以看出,经高斯波调制的活塞波声场分布更符合实验测试的结,,果这说明用高斯波近似处理是有效的实际,上圆形振子上声压的非均匀性和激发源的,卜一一丫一一一节一一一尸一一州一一,一一尸脉冲性都直接影响探头发射的声波波形也一一—就,,一是

7、说本文计算方法中高斯波近似是一种,,综合效应它不仅考虑了声源的脉冲性还对图·直探头在水中声场分布的,振子上声压的非均匀性进行了修正另一方实验测试结果,面由于经高斯波调制的活塞波有一定的频,,带宽度不同的频率对应的近场极值位置不同从而展平了某些极值点声束副瓣的减弱也是同样原因,,、数值计算和实验结果还表明高斯波近似只改变了声场分布的结构而衰减使声场收缩,,近场长度变短但实验测得声场的收敛较快且近场声压强度及近场长度与计算结果的误差随,频率的升高而增大这与球面波近似和实验测试方法有关结束语从以上,的结果和分析可以肯定本文介绍

8、的数值计算方法用于直探头声场的计算是有效,,、,的并且在水浸法中可行但是它仅限于对称性好频谱特征有规律近高斯分布的直探头对,,,于其它探头以及用于固体工件如钢的情况还需进一步验证总之作为一种计算方法它将,随着计算能力的提高和对探头与介质信息量的增加而得到完善另一方面它对探头的设计制作、探头特征的测试以及探伤结果的评价