超声波探伤幻灯片课件第三章 超声波发射声场与规则反射体分回波声压

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1、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xQXYZoP－波源轴线上任意一点声压；P0－波源的起始声压；FS－波源面积；Rs–波源半径λ－波长；x－轴线上Q点至波源的距离。圆盘波源轴线上的声压与距离成反比

2、，与波源面积成正比。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.P/P0N3N6N0.5NX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x>3N时，声压与距离成反比，近似球

3、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。N/2N3N6N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xP(r,θ)XYZoP(r,0))θ波束指向性)θ0Y3.83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

4、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θ>θ0时，

5、DC

6、<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

7、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x>b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、

8、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yxQz2a2br)θ)φ0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，

9、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，其声场横截面为矩形。三、近场区在两种介质中的分布公式只适用均匀介质。实际检测中，有时近场区分布在两种不同的介质中，如图所示的水浸检测，超声波是先进入水，然后再进入钢中。当水层厚度较小时，近场区就会分布在水、钢两种