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第二章 超声波发射声场与规则反射体的回波声压第一节 纵波发射声场一、圆盘波源辐射的纵波声场(声源固定在无限大障板上)1波源轴线上声压1RSZQZ(或X)hR h声源在Q点产生的总声压=此处用到公式Q点处的声压振幅P可表示为式中波源半径x轴线上Q点至波源的距离P0(1)近场区a)当时声压具有最大值,此声压为2倍平面波声压。此位置n=0,1,2有(n+1)个值其中n=0为距声源最远一个最大值，此时（条件）N称为近场长度。近场区内，与声轴垂直且与声源面积相当的范围内，其平均声压等于平面波声压。b)声压最小值点当时,该位置声压振幅P=0。以表示声压最小值点的位置,则，得nN时,声轴线上的声压从单调下降。e)当x时,相对误差为,故当x=N时,误差x=1.67N,f) 声轴线上远场区XNN/2即远场中,声轴线上声压与距离成反比。式中远场中任意一点M(r,)处的声压为： 称为圆盘源远场的方向性函数。的特性是：a)当V即时(即声轴线处)D()=1,为最大值,即声轴线上声压最高，b)1时,辐射各向均匀。(1即1,为低频辐射)c)当大于3.83时,辐射具有复杂的指向性,其指向特性下图所示，当=3.83时出现第一个零值,此时相应的值以表示： 当R,焦距FR的条件下，声压P的近似公式为：式中F=焦距=r声透镜曲率半径x观察点声源的距离，R为波源半径在焦点处x=F,上式可简化为（225）当B=10时，P=31.4。即当焦距F近场长度的1/10时，其声压为平面波声压的31.4倍由图可见，B越大，即F相对近场长度越小，聚焦效果愈好。当F=N时，B=1，结论：焦距应选在近场之内2焦柱的几何尺寸因为声波的波动性,焦点附近为一个聚焦区。对柱面形透镜而言,焦柱直径d和焦柱长度L可表示为(声压下降6dB测量法)（d焦柱直径）（L焦柱长度）L/d=2F/R常数3聚焦探头的应用1） 缺陷尺寸的测定2） 裂纹高度的测定，裂纹高度配合断列力学计算使用寿命3） 特殊工件粗晶材料检测三、聚焦探头焦柱直径推导RS0dff焦距RS晶片半径波长d 焦距直径四、 焦探伤时水距的选择推导在三角形ABC中BS2lLHFAC即即 当很小时，第四节 规则反射体的回波声压概述：超声探伤中常用反射法,反射法是根据缺陷反射回波声压的高低来评价缺陷的大小。由于工件中缺陷的形状性质各相同,以前的探伤技术还难以确定缺陷的真实大小和形状。回波声压相同缺陷,其实际大小可能相差很大,为此引入当量法。当量法的定义：在同样的探测条件下,当自然缺陷回波与某人工反射体回波等高时,就认定该人工反射体尺寸就是此自然缺陷的当量尺寸。(自然缺陷的实际尺寸往往大于当尺寸)人工缺陷或规则反射体的种类主要有：平底孔、长横孔、短横孔、球孔、大平底、圆柱曲底面。下面分析这些人工反射体的反射规律一、 平底孔回波声压当x3N时,若波束轴线垂直于平底孔,平底孔可看作一个新的圆盘源,其起始声压就是入射声波在平底孔处的声压探头接收到的平底孔回波声压为即平底孔回波声压与平底孔直径平方成正比,与距离平方成反比。式中：平面波声压 探头波源面积 平底孔缺陷面积 在介质中的波长x平底孔到波源距离由(229)式可知：平底孔回波声压或波高与平底孔面积成正比(或与平底孔直径的平方成正比)任意两个平底孔回波声压或波高之比为： 二者回波声压分贝差为：(1) 当时,距离增加一倍,其回波下降12dB(2) 当时,若,则,即距离相同时,平底孔直径增加一倍,其回波升高12dB二、 长横孔回波声压长横孔：直径较小而长度大于声束直径超声波在长横孔表面的反射类似于球面波在柱面镜上的反射,此时公式(1.54)为以a=x,代入上式且取正号，可得推导： 长横孔的直径(1) 当时，即：长横孔直径一定，距离增加一倍，其回波下降9dB(2) 当时即：长横孔距离一定，直径增加一倍，其回波上升3dB三、 短横孔短横孔：其长度明显小于波束截面尺寸的横孔。设横孔直径为，长度为，当x3N时超声波在短横孔上的反射回波声压即：短横孔回波声压与短横孔长度成正比,与短横直径的平方成正比，与距离的平方成反比。(1) 当时，即：短横孔直径和长度一定时，距离增加一倍，其回波下降12dB，与平底孔变化规律相同。(2) 当时，即：短横孔长度增加一倍时，其回波上升6dB(3) 当时，即：短横孔直径增加一倍时，其回波升高3dB四、 球孔回波声压设球孔直径为，超声波垂直入射，全反射，足够小。当x3N时超声波在球孔上的反射类似于球面波在球面镜上的反射。以a=x,=Df/4,代入（1.53）并取正号，同时考虑到，可得到球孔回波声压：=即：球孔回波声压与孔径成正比，与距离成平方成反比。孔径增加一倍时，回波声压上升6dB，距离增加一倍时，回波声压下降12dB。五、 大平底 当x3N，超声垂直入射于大平底面大平底面的回波声压与距离成反比当即：大平底面距离增加一倍，其回波下降6dB六、 圆柱曲底面回波声压1. 实心圆柱体以a=x,=Df/4,代入（1.54）并取负号，得实心圆柱凹曲底面的回波声压为：这说明，实心圆柱回波声压等于大平底面回波声压。2.空心圆柱体1)内孔回波（探头置于外圆）以a=x=(Dd)/2,f=d/4,代入（1.54），并取正号，得外圆探伤空心圆柱体凸柱曲底面的回波声压：这说明，内孔回波低于大平底回波声压。2)外表面回波（探头置于内孔）以a=x=(Dd)/2,f=D/4,代入（1.54）式并取负号得回波声压：这说明，外圆回波声压大于大平底面回波声压。七、 考虑衰减时的回波声压公式介质单程衰减系数，单位dB/奈培， 1dB=0.115奈培=1/8.68奈培例：用2.5P20探头探测400锻钢件，要求4的缺陷不漏检 用200/2平底孔试块如何调节灵敏度？ 用工件大平底如何调节灵敏度？解：T=4003N,试块厚度=2003N,可用计算法确定探伤灵敏度 根据 =即：用200/2平底孔试块调节灵敏度时，将200/2平底孔回波调到基准波高即可。 即：用200/2平底孔试块调节灵敏度时，将工件大平底回波调到基准波高,即将仪器灵敏度提高31.4dB即可。第四节 AVG曲线概述：AVG曲线是描述规则反射体的距A、回波高度V及缺陷当量大小G之间关系的曲线。这里A、V、G是德文的距离、增益和大小字头编写。英文缩写DGS曲线。 通用AVG曲线 AVG曲线分类：按通用程度分实用AVG曲线 纵波AVG曲线按波型分横波AVG曲线平底孔AVG曲线 按反射体类型分横孔AVG曲线一、纵波平底孔ANG曲线1.通用AVG曲线当x3N,不考虑介质衰减时,大平底与平底孔回波声压为, PB与P0或HB与H0的比为(这里A=x/N为归一化距离)和相对于的波高为和: (249) (250)A归一化距离G归一化缺陷当量V1底波相对于H0的波高V2平底孔回波相对于Hf的波高以横坐标表示lgA,纵坐标表示V1,V2,由公式(2.49)得出大平底波高与距离的关系曲线B见下图。由公式(2.50)得出一族不同平底孔回波与距离之间的关系曲线注意点：1)V1,V2相对于H0均为负数,说明各底波与平底孔回波均低于平面回波H0 2)在1N内底波V1的高度变化不大,近似不变(近似等于平面回波)大体可看作平面波，而平底孔回波则出现极大极小值,但平底孔回波的最大值不是2P0,最小值也不是零 3)A3N时为理论计算值通用AVG曲线的优点：通用性好、适用于不同规格的探头。缺点：不方便日常探伤。通用AVG曲线的用途：确定探伤灵敏度和对缺陷进行定量。例：用2.5MHz20直探头探测厚为400的锻钢件。已知钢中Cl=5900m/s,探伤在170处发现一缺陷,其回波 比底波比底波低10dB。1)如何用底波调整2平底孔灵敏度？2)求此缺陷的平底孔当量？解：(1)调灵敏度 求N=c/=5.9/2.5=2.36()() 求A和GA=x/N=400/42.4=9.4G=Df/Ds=2/20=0.1 查AVG曲线,过A=9.4处作垂线交G=0.1线于N,交B于M,则MN所对应的分贝值为400处大平底与2平底孔的回波分贝值差： 调整2灵敏度：将工件底波调至基准波高,然后用仪器衰减器将灵敏度提高44dB(2)求缺陷当量 求AfAf=xf/N=170/42.4=4 求Gf 如图2.24所示,过Af作垂直线与过比M点低10dB的P点所作的水平线相交于Q点,则Q点对应的G值为Gf=0.3 求缺陷的当量尺寸()2.实用AVG曲线以横