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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。第三章第三章 超声波发射声场与规则反射超声波发射声场与规则反射体的回波声压体的回波声压 3.1 3.1 纵波发射声场纵波发射声场1 波源轴线上的声压分布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
2、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kr0N的区域，声压随距离增加而单调减的区域，声压随距离增加而单调减少，称为远场区少，称为远场区 。当。当 时，声压近似球面时，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，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。这时干涉现象可以忽略不计。3.1.1 3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场圆盘波源辐射的纵波声场2 超声场截面的声压分布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上存在声压横截面的声压分布：在
3、近场区内的中心轴线上存在声压为零的截面，如图所示为零的截面，如图所示0.5N处，但偏离中心较高。在处，但偏离中心较高。在xN的远场区，中心最高，两边渐渐低，规定的远场区，中心最高，两边渐渐低，规定2N以外测以外测定声束偏离和探头定声束偏离和探头K值才准确。值才准确。图图33，4 声束横截面声压分布声束横截面声压分布 3.1.1 3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场圆盘波源辐射的纵波声场3波束的指向性和半扩散角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波源在充分远处任意一点的声压P(r，)与波源与波源轴线上同距离处声压轴线上同距离处声压P（r, 0）之比，称为指向性）之比，称为指向性系数
4、，如下图所示，用系数，如下图所示，用DC表示：表示：图图36 远场中任意一点声压推导图远场中任意一点声压推导图3.1.1 3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场圆盘波源辐射的纵波声场点波源点波源ds在至波源距离远处任意点在至波源距离远处任意点M（r, )处引处引起的声压为：起的声压为：整个圆盘波在点整个圆盘波在点M（r, )处引起的总声压幅值为：处引起的总声压幅值为：式中：式中：J1为一阶为一阶Bessel函数函数 3.1.1 3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场圆盘波源辐射的纵波声场指向性系数：指向性系数：令令 ，则，则 3.1.1 3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场圆盘波源辐射的纵波声场DC与与
5、y的关系曲线如下图所示：的关系曲线如下图所示：图图37 源盘波束指向性示意图源盘波束指向性示意图3.1.1 3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场圆盘波源辐射的纵波声场由图可知以下结论：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）。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。是这个原因。（2）当）当y=kRssin=3.73,7.02,10.17,时，时，Dc=P(r，)/P(
6、r，)=0，即，即P(r，)=0。这说明圆盘源辐射的纵波声场。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。中存在一些声压为零的圆锥面。由由y=kRssin=3.73得：得： 0arcsin1.22/Ds0-圆盘波波辐射射纵波声波声场的第一零的第一零值发散角，即半散角，即半扩散角。散角。3.1.1 3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场圆盘波源辐射的纵波声场（3）当）当y3.73，即，即0时，时，|Ds|b的区域称为扩散区，扩散区内波束扩散衰减。的区域称为扩散区，扩散区内波束扩散衰减。 3.1.1 3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场圆盘波源辐射的纵波声场3）例：若用）例：若用f=2.5MH
7、z，探头晶片直径，探头晶片直径Ds=20mm的探头的探头检测声速检测声速CL=5900m/s的钢工件，那么的钢工件，那么N、 0和和b分别分别为为3.1.2 3.1.2 矩形波源辐射的纵波声场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。近场区内声压分布复杂，理论计算困难。远场区声源轴和未扩散角。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：式为：式中式
8、中Fs矩形波源面积，矩形波源面积，Fs=4ab。 对上式特殊情况进行讨论可知对上式特殊情况进行讨论可知1）当）当= =0时，远场轴线上某点的声压为：时，远场轴线上某点的声压为：3.1.2 3.1.2 矩形波源辐射的纵波声场矩形波源辐射的纵波声场 2）当当=0时，时， YOZ平面内远场某点的声压为：平面内远场某点的声压为：这时在这时在YOZ平面内的指向性系数平面内的指向性系数Dr为：为： Dr与y的关系曲线如图的关系曲线如图311所示。所示。图图311 矩形源矩形源Dr与y的关系曲线示意图的关系曲线示意图3.1.2 3.1.2 矩形波源辐射的纵波声场矩形波源辐射的纵波声场 由图可知，当由图可知，
9、当y= 时，时， Dr 0，这时对应的，这时对应的YOZ平面内半平面内半扩散角为：扩散角为：同理可以推出同理可以推出XOZ平面内半扩散角为：平面内半扩散角为： 由以上论述可知，矩形波源辐射的纵波声场与圆盘源不同，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源的近场区长度为3.1.3 3.1.3 纵波声场在两种介质中的分布纵波声场在两种介质中的分布公式公式 只适用均匀介质。实际检测中，有时近场区分布只适用均匀介质。实际检测中，有时近场区分布 在两种不同的介质中，如教材图在两
10、种不同的介质中，如教材图313所示的水浸检测，超所示的水浸检测，超声波是先进入水，然后再进入钢中。当水层厚度较小时声波是先进入水，然后再进入钢中。当水层厚度较小时,近近场区就会分布在水、钢两种介质中。场区就会分布在水、钢两种介质中。 设水层厚度为设水层厚度为L，则钢中剩余近场区长度，则钢中剩余近场区长度N为：为：若基于水中近场区计算，则：若基于水中近场区计算，则：式式317式式3183.1.3 3.1.3 纵波声场在两种介质中的分布纵波声场在两种介质中的分布例：用用2.5MHz、14mm纵波直探头水浸探伤钢板，已纵波直探头水浸探伤钢板，已知水层厚度为知水层厚度为20mm，钢中，钢中CL=590
11、0m/s，水中，水中CL=1480m/s。求钢中近场区长度。求钢中近场区长度N。 解：钢中纵波波长解：钢中纵波波长钢中近场区长度钢中近场区长度3.1.4 3.1.4 实际声场与理想声场比较实际声场与理想声场比较1 1、理想声场：液体介质，波源作活塞振动，辐射连续波、理想声场：液体介质，波源作活塞振动，辐射连续波、理想声场：液体介质，波源作活塞振动，辐射连续波、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。等理想条件下的声场。等理想条件下的声场。等理想条件下的声场。2 2、实际声场：固体介质，波源非均匀激发，辐射脉冲波、实际声场：固体介质，波源非均匀激发，辐射脉冲波、实际声场
12、：固体介质，波源非均匀激发，辐射脉冲波、实际声场：固体介质，波源非均匀激发，辐射脉冲波声场。声场。声场。声场。3 3、实际声场与理想声场在远场区轴线上声压分布基本一、实际声场与理想声场在远场区轴线上声压分布基本一、实际声场与理想声场在远场区轴线上声压分布基本一、实际声场与理想声场在远场区轴线上声压分布基本一致。致。致。致。4 4、近场区内，实际声场与理想声场存在明显区别。理想、近场区内，实际声场与理想声场存在明显区别。理想、近场区内，实际声场与理想声场存在明显区别。理想、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，且极大值为声场轴线上声压存在一系列极大极小
13、值，且极大值为声场轴线上声压存在一系列极大极小值，且极大值为声场轴线上声压存在一系列极大极小值，且极大值为2P02P0，极小值为零。实际声场轴线上声压虽然也存在极大极，极小值为零。实际声场轴线上声压虽然也存在极大极，极小值为零。实际声场轴线上声压虽然也存在极大极，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，极大值远小于小值，但波动幅度小，极大值远小于小值，但波动幅度小，极大值远小于小值，但波动幅度小，极大值远小于2P02P0，极小值也远大，极小值也远大，极小值也远大，极小值也远大于零，同时极值点的数量明显减少。这可以从一下几个于零，同时极值点的数量明显减少。这可以从一下几
14、个于零，同时极值点的数量明显减少。这可以从一下几个于零，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。方面分析其原因。方面分析其原因。方面分析其原因。3.1.4 3.1.4 实际声场与理想声场比较实际声场与理想声场比较 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，产生不续波，产生完全干涉，极大极小
15、明显，实际声场是脉冲波，产生不续波，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。完全干涉，极值点减小。完全干涉，极值点减小。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：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：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：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(tf(t)=a)=a0 0/2+a/2+an ncost+bcost+bn nsintsint式中：式中：式中：式中：t- t-时间；时间；时间；时间；n-n-正整数；正整数；正整数；
16、正整数；-园频率；园频率；园频率；园频率；a a0 0、a an n、b bn n- -由由由由f(tf(t) )决定的常数。决定的常数。决定的常数。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，叠加后声场是各种声场的叠加。由于极值点
17、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。声压趋于均匀，近场声压分布不均得到改善。声压趋于均匀，近场声压分布不均得到改善。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，近场无极大极小值极大极小值极大极小值极大极小值 。 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。是对称叠加，垂直于轴线方向抵消，是固体中声压相对均匀。是对称叠加，垂直于轴线方向抵消，是固体中声压相对均匀。是对称叠加，垂直于轴线方向抵消，是固体中声压相对均匀。
