纵波发射声场PPT课件

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1、超声波源发射的超声场，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，并且测试方便，因此对声场的理论分析研究一般从流体介质入手，然后在一定条件下过渡到固体介质。 又由于我们目前广泛应用脉冲反射法检测，此因本章还讨论了各种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,3.1 纵波发射声场,1 波源轴线上的声压分布 如图31所示，将圆盘声源看成活塞声源，设该活塞声源上各点以同相位、同速度的简谐振动辐射声能。 圆盘可以看成是由无数多个面积为dS的小面积元组成，每个小面积元都是向半空间辐射球面波的点声源 点声源满足kr01的条件

2、（k为波数，r0为所取点源的半径）,3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场,图31圆盘源轴线上声压推导图,3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场,则根据特殊形式的波动方程求得点声源声束轴线上距声源x处Q点的声压为 ： 式中0 -介质平衡状态的密度；c0-声速；k-波数k/c0；r-面元至Q点的距离，ua-声源表面振动速度幅值；-声源振动的圆频率,3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场,整个圆盘声源向半空间内辐射的总声压为： 下面在极坐标系下求解该定积分。,3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场,由图中的位置关系可知，面元至Q点的距离 ： 设 ，则,3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场,当R=0时，U=x；当R=

3、Rs时， 将 代入公式，则,3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场,上式中， P0表示声源处的初始声压， 。 则声源轴线上 声压幅值为： 此即为活塞波的声压表达式，此式在使用时仍感复杂，对常用的X3N的远场区，声束的特点是只具有一个主声束，而且轴线上的声压随距离增加而单调下降，因此在3N后的远场区可导出一个近似公式。近似公示的导出可分两步：,3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场, 在活塞波声压公式中，对根号项写作(X2+RS2)1/2 并按牛顿二项式： 展开，取前两项 在很小的时候，( ) sin，故声压幅值公式变为：,3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场,上式表明，当 ,圆盘波轴线上的声压与距离成反

4、比，与波源面积成正比。 也就是说圆盘波在远场符合球面波的变化规律。 圆盘波轴线上的声压分布如图32所示。,图32 圆盘轴线上的声压分布,3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场,（1）近场区的定义：波源轴线上最后一个声压极大值距波源的距离，称近场区长度，用N表示。 由活塞波的声压公式可导出近场区内声束轴线上声压极大值（即P=2P0） 当 时， 声压有极大值。 极大值对应的距离为： 式中n=0,1(Ds-)/2 ，共有n+1个极大值，其中n=0是最后一个极大值。,3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场,因此近场长度为： 同理可得声压极小值对应的距离为：,式中n=0,1Ds/2 ，共有n个极小值，,3.1.

5、1 圆盘波源辐射的纵波声场,近场区内有若干个极大值和极小值，说明近场区内声压不稳，在实际检测对缺陷定量不利。 处于声压极小值处的较大缺陷回波声压可能很低，而处于声压极大值处的较小缺陷可能回波声压较高，这样容易引起误判或漏检。 在实际检测中应尽可能避免在近场区定量检测。,3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场,远场区：xN的区域，声压虽距离增加而单调减少，称为远场区 。当 时，声压近似球面波的规律。这是因为距离足够大时，波源各点至轴线上某点的声程差很小，引起的相位差也很小，这时干涉现象可以忽略不计。,3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场,2 超声场截面的声压分布 横截面的声压分布：在近场区内的中心轴线

6、上存在声压为零的截面，如图所示0.5N处，但偏离中心较高。在xN的远场区，中心最高，两边渐渐低，规定2N以外测定声束偏离和探头K值才准确。,图33，4 声束横截面声压分布,3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场,3波束的指向性和半扩散角 波源在充分远处任意一点的声压P(r，)与波源轴线上同距离处声压P（r, 0）之比，称为指向性系数，如下图所示，用DC表示：,图36 远场中任意一点声压推导图,3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场,点波源ds在至波源距离远处任意点M（r, )处引起的声压为： 整个圆盘波在点M（r, )处引起的总声压幅值为： 式中：J1为一阶Bessel函数,3.1.1 圆盘波源辐射的

7、纵波声场,指向性系数： 令 ，则,3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场,DC与y的关系曲线如下图所示：,图37 源盘波束指向性示意图,3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场,由图可知以下结论： （1）。这说明超声场中至波源充分远处同一横截面上各点的声压是不同的，以轴线上的声压为最高。实际探伤中，只有当波束轴线垂直于缺陷时，缺陷回波最高就是这个原因。 （2）当y=kRssin=3.73,7.02,10.17,时，Dc=P(r，)/P(r，)=0，即P(r，)=0。这说明圆盘源辐射的纵波声场中存在一些声压为零的圆锥面。 由y=kRssin=3.73得： 0arcsin1.22/Ds 0-圆盘波辐射纵波声

8、场的第一零值发散角，即半扩散角。,3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场,（3）当y3.83，即0时，|Ds|0.15。这说明半扩散角以外的声场声压很低，超声波的能量主要集中在半扩散角以内。因此可以认为半扩散角限制了波束的范围。 （4）2 0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。 （5）由于超声波主波束以外的能量很低和介质对超声波的衰减作用，使第一零值发射角以外的波束只能在波原附近传播，因此在波源附近形成一些副瓣。,3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场,（6）增加探头的直径、提高探头的频率，半扩散角将减小，可以改善声

9、束指向性，能量集中，有利于提高探伤灵敏度。但增大了近场长度，对探伤反而不利。实际是合理选择直径和频率，保证探伤灵敏度下，尽量减少近场长度。,3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场,与声压幅值有关的半扩散角 在某些时候，例如在TOFD超声检测中，往往更关心声束截面上的声压变化。比如声压幅值从声压轴线上下降一定dB时，声束的半扩散角是多大，如教材38所示。为此引入与声压幅值有关的半扩散角的概念，它与半扩散角不同。其理论推导复杂，一般根据经验公式确定。 式中介质中波长，Ds 声源直径，F 常数因子,3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场,4 波束未扩散区与扩散区 1）超声波波源辐射的超声波是以特定的角度向外

10、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，其理想化的形状如图39。,图39 圆盘源理想化声场中的未扩散区和扩散区,3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场,由图中的几何关系可得： 2）在波束未扩散区b内，波束不扩散，不存在扩散衰减，各截面平均声压基本相同。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，扩散区内波束扩散衰减。,3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场,3）例：若用f=2.5MHz，探头晶片直径Ds=20mm的探头检测声速CL=5900m/s的钢工件，那么N、 0和b分别为,3.1.2 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

11、辐射的纵波声场同样存在近场区和未扩散角。近场区内声压分布复杂，理论计算困难。远场区声源轴线上任意一点Q处的声压用液体介质中的声场理论可以导出，其计算公式为： 式中Fs矩形波源面积，Fs=4ab。 对上式特殊情况进行讨论可知 1）当= =0时，远场轴线上某点的声压为：,3.1.2 矩形波源辐射的纵波声场,2）当=0时， YOZ平面内远场某点的声压为： 这时在YOZ平面内的指向性系数Dr为： Dr与y的关系曲线如图311所示。,图311 矩形源Dr与y的关系曲线示意图,3.1.2 矩形波源辐射的纵波声场,由图可知，当y= 时， Dr 0，这时对应的YOZ平面内半扩散角为： 同理可以推出XOZ平面内

12、半扩散角为： 由以上论述可知，矩形波源辐射的纵波声场与圆盘源不同，矩形波源有两个不同的半扩散角，其声场为矩形。矩形波源的近场区长度为,3.1.3 纵波声场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，如教材图313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、钢两种介质中。 设水层厚度为L，则钢中剩余近场区长度N为： 若基于水中近场区计算，则：,式317,式318,3.1.3 纵波声场在两种介质中的分布,例：用2.5MHz、14mm纵波直探头水浸探伤钢板，已知水层厚度为20mm，钢中CL=5900m/s，水中

13、CL=1480m/s。求钢中近场区长度N。 解：钢中纵波波长 钢中近场区长度,3.1.4 实际声场与理想声场比较,1、理想声场：液体介质，波源作活塞振动，辐射连续波等理想条件下的声场。 2、实际声场：固体介质，波源非均匀激发，辐射脉冲波声场。 3、实际声场与理想声场在远场区轴线上声压分布基本一致。 4、近场区内，实际声场与理想声场存在明显区别。理想声场轴线上声压存在一系列极大极小值，且极大值为2P0，极小值为零。实际声场轴线上声压虽然也存在极大极小值，但波动幅度小，极大值远小于2P0，极小值也远大于零，同时极值点的数量明显减少。这可以从一下几个方面分析其原因。,3.1.4 实际声场与理想声场比

14、较, 在近场区出现的极大和极小值是由于干涉造成的。理想声场是连续波，产生完全干涉，极大极小明显，实际声场是脉冲波，产生不完全干涉，极值点减小。 按付里叶级数分析，脉冲波可分解为无数个正弦波、余弦波之和： f(t)=a0/2+ancost+bnsint 式中：t-时间；n-正整数；-园频率； a0、an、bn-由f(t)决定的常数。 由于脉冲波是多种频率的连续波组成，每种频率决定一个声场，总声场是各种声场的叠加。由于极值点的位置随波长而变化，叠加后声压趋于均匀，近场声压分布不均得到改善。 实际波源是非均匀激发，中心振幅大，边缘振幅小，其产生的干涉要小于均匀激发的波源。如果激发强度按高斯曲线变化，近场无极大极小值 。 理想声场是液体，实际应用介质是固体，液体是线性叠加，固体是对称叠加，垂直于轴线方向抵消，是固体中声压相对均匀。,