2.8-2.9 超声波的聚焦与发散 超声波的衰减.ppt

2 8超声波的聚焦与发散 超声波是一种频率很高波长很短的机械波 它与可见光一样具有聚焦和发散的特性 由于超声波还可能产生波形转换 所以超声波的聚焦与发散更为复杂 为了便于讨论 后面的分析不考虑波形转换行为 2 8 1声压距离公式 1 平面波平面波波束不扩散 而是互相平行 因此声压不随距离而变化 2 球面波球面波的波阵面为球面 球面波声场中某处质点的振幅与该点至波源的距离成反比 而声压与振幅成正比 因此球面波的声压与距离成反比 3 柱面波柱面波的波阵面为同轴柱面 柱面波声场中某处质点的振幅与该点至波源的距离的平方根成反比 而声压与振幅成正比 因此柱面波的声压与距离的平方根成反比 2 8 2球面波在平界面上的反射与折射 1 单一的平界面上的反射2 双界面的反射前壁各次反射波声压比为后壁各次波的声压比实际检测中 当探头直径d较大时 超声波探头发出的超声波可视为球面波 示波屏上各次底面反射波的高度之比近似符合的规律 2 8 2球面波在平界面上的反射与折射 3 单一平界面上的折射球面波入射到平界面上时 其折射波不再是严格的球面波了 只有当其张角较小时 可视为近似的球面波 如教材图2 51折射波声压 2 8 3平面波在曲界面上的反射与折射 1 平面波在曲界面上的反射当平面波入射到曲界面上时 其反射波将发生聚焦或发散 如图2 52所示 反射波的聚焦或发散与曲面的凹凸 从入射方向看 有关 凹曲面的反射波聚焦 凸曲面的反射波发散 图2 52平面波在曲界面上的反射 2 8 3平面波在曲界面上的反射与折射 平面波入射到球面时 其反射波可视为从焦点发出的球面波 在曲面轴线上距曲面顶点x处的反射波声压Px为 式中 f 焦距 f r 2 r为曲率半径 x 轴线上某点至顶点的距离P0 顶点处入射波声压 土 用于发散 一 用于聚焦 2 8 3平面波在曲界面上的反射与折射 2 平面波入射到柱面时 其反射波可视为从焦轴发出的柱面波 在曲面轴线上距曲面顶点x处的反射波声压Px为实际检测中球形 柱形气孔的反射就属于以上两种情况 2 8 3平面波在曲界面上的反射与折射 平面波入射到曲界面上时 其折射波也将发生聚焦或发散 如图2 53 这时折射波的聚焦或发散不仅与曲面的凹凸有关 而且与界面两侧介质的波速有关 对于凹透镜 当c1 c2时聚焦 当c1 c2时发散 对于凸透镜 当cl c2时聚焦 当cl c2时发散 图2 53平面波在曲界面上的透射 2 8 3平面波在曲界面上的反射与折射 平面波入射到球面透镜时 其折射波可视为从焦点发出的球面波 在曲面轴线上距曲面顶点x处的折射波声压Px为 式中 t 声压透射率 f 焦距 f r 2 r为曲率半径 x 轴线上某点至顶点的距离P0 顶点处入射波声压 土 用于发散 一 用于聚焦 2 8 3平面波在曲界面上的反射与折射 2 平面波入射到柱面透镜时 其折射波可视为从焦轴发出的柱面波 在曲面轴线上距曲面顶点x处的折射波声压Px为实际探伤用的水浸聚焦探头就是根据平面波入射到cl c2的凸透镜上 折射波发生聚焦的特点来设计的 这样可以提高检测灵敏度 2 8 4球面波在曲界面上的反射和折射 1 球面波在曲界面上的反射球面波入射到曲界面上 其反射波将发生聚焦或发散 如图2 54 凹曲面的反射波聚焦 凸曲面的反射波发散 图2 54球面波在曲界面上的反射 2 8 4球面波在曲界面上的反射和折射 1 球面波在球面上的反射波 可视为从像点发出的球面波 轴线上距顶点为x处的反射波声压Px为式中P1 a 球面顶点处入射波声压 f 焦距 f r 2 a 球面顶点至波源的距离 土 用于发散 一 用于聚焦 实际检测距探头较远的球形气孔就属于球面波在凸球面上的反射 反射波发散 回波较低 灵敏度低 2 8 4球面波在曲界面上的反射和折射 2 球面波在柱面上的反射波球面波在柱面上的反射波 既不是单纯的球面波 也不是单纯的柱面波 而是近似为两个不同的柱面波叠加 轴线上距顶点为x处的反射波声压为 球面波在柱面上的反射 在实际径向检测大型圆柱形锻件时就属于这种情况 2 8 4球面波在曲界面上的反射和折射 3 球面波在实心圆柱体中的反射采用超声波径向探伤大型实心圆柱形锻件时 如图2 55 类似于球面波在凹柱面上的反射 反射波聚焦于像点 以x a f a 4代入2 54式 取 一 得到圆柱面上入射点处的反射回波声压 平 图2 55实心圆柱体反射波声压 柱 2 8 4球面波在曲界面上的反射和折射 4 采用超声波径向探伤大型空心圆柱形锻件时 如图2 56 类似于球面波在凸柱面上的反射 反射波发散 以x a f r 2代入式 2 54 取 得到圆柱面上入射点处的反射回波声压 图2 56空心圆柱体反射波声压 柱 2 8 4球面波在曲界面上的反射和折射 球面波在曲面上的折射球面波入射到曲界面上 当其发生透射时 其折射波同样会发生聚焦和发散 如教材图2 57 轴线上距顶点x处的折射波声压为 球形界面 柱形界面 2 9超声波的衰减 超声波在介质中传播时 随着距离增加 超声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波衰减 衰减的原因波束扩散 晶粒散射和介质吸收1 扩散衰减在声波的传播过程中 随着传播距离的增大 声波的声束不断扩展增大 因此单位面积上的声能 或声压 随距离的增大而减弱 这种衰减称为扩散衰减 扩散衰减仅取决于波阵面的几何形状而与传播介质的性质无关 在远离声源的声场中 球面波的声压P与至声源距离a成反比 即P 1 a 而柱面波则为P 1 a 1 2 对于平面波 声能 或声压 不随传播距离而变化 不存在扩散衰减 2 9超声波的衰减 2 散射衰减由于实际材料不可能是绝对均匀的 例如材料中有外来杂质 金属中的第二相析出 晶粒的任意取向等均会导致整个材料声阻抗不均 从而引起声的散射 被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去 最终变成热能 声能被消耗 声强 或声压 被减弱 这种衰减称为散射衰减 散射衰减与材质的晶粒密切相关 当材质晶粒粗大时 散射衰减严重 被散射的超声波沿着复杂的路径传播到探头 在示波屏上引起林状回波 又叫草波 使信噪比下降 严重时噪声会湮没缺陷波 3 吸收衰减超声波在分质中传播时 由于介质中质点间内摩擦 即粘滞性 和热传导引起超声波的衰减 称为吸收衰减或粘滞衰减 2 9 2衰减方程与衰减系数 1 衰减方程平面波 式中 P0 入射到材料界面上时的声压 P 超声波在材料中传播一段距离s后的声压 衰减系数 球面波 柱面波 2 9 2衰减方程与衰减系数 2 衰减系数衰减系数 只考虑了介质的散射和吸收衰减 未涉及扩散衰减 对于金属材料等固体介质而言 介质衰减系数 等于散射衰减系数和吸收衰减系数之和 c1 与晶粒大小和各向异性无关的常数 f 超声波频率 c1 c2 c3 c4 常数 F 各向异性因子 d 晶粒直径 波长 2 9 2衰减方程与衰减系数 1 介质的吸收衰减与频率成正比 2 介质的散射衰减与f d F有关在实际检测中 当介质晶粒较粗大时 若采用较高的频率 将会引起严重衰减这就是晶粒较大的奥氏体钢和一些铸件检测的困难所在 3 对于液体介质而言 主要是介质的吸收衰减 由上式可知 液体介质的衰减系数a与介质的粘滞系数和频率平方成正比 与介质中的密度和波速立方成反比 由于 p c与温度有关 所以a也与温度有关 一般是a随温度的升高而降低 这是因为温度升高 分子热运动加剧 有利于超声波的传播 2 9 3衰减系数的测定 薄板工件衰减系数的测定1 薄板工件衰减系数的测定 对于厚度较小 上下底面互相平行 表面光洁的薄板工件 可用直探头波在薄板表面 使声波在上下表面往复反射 在示波屏上出现多次底波 由于介质衰减和反射损失 使底波高度依次减少 其介质衰减系数按下式计算 上式没有考虑扩散衰减 现场应用时应根据薄板厚度确定波的次数 使声波的传播距离在波束未扩散区内