超声波探伤超声波发射声场和规则反射体分回波声压

超声波探伤超声波发射声场和规则反射体分回波声压第1页主要内容：纵波发射声场横波发射声场规则反射体回波声压AVG曲线第2页

超声波探头（波源）发射超声场含有特殊结构。只有当缺点位于超声场内时，才有可能被发觉。因为液体介质中声压能够进行线性叠加，而且测试比较方便。所以对声场理论分析研究经常从液体介质入手，然后在一定条件下过渡到固体介质。第3页3.1纵波声场一、圆盘波源辐射纵波声场波源轴线上声压分布xQXYZo第4页P－波源轴线上任意一点声压；P0－波源起始声压；FS

－波源面积；Rs–波源半径λ

－波长；x

－轴线上Q点至波源距离。圆盘波源轴线上声压与距离成反比，与波源面积成正比。第5页

近场区：波源附近因为波干涉而出现一系列声压极大极小值区域，成为超声场近场区。近场区声压分布不均匀,轻易引发误判，甚至漏检，所以，应尽可能防止近场区检测。波源轴线上最终一个声压极大值至波源距离称为近场区长度,用N表示.P/P0N3N6N0.5NX第6页

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，处于声压极小值处较大缺点回波可能较低，而处于声压极大值处较小缺点回波可能较高，这么就轻易引发误判，甚至漏检，应尽可能防止在近场区检测。第7页远场区波源轴线上至波源距离大于N区域称为远场区。远场区轴线上声压随距离增加而减小；当x>3N时，声压与距离成反比，近似球面波规律。这是因为距离足够大时，波源各点至轴线上某一点波程差很小，引发相位差也很小，这么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。第8页超声场横截面声压分布：

在x<N近场区，中心轴线上声压不一定最大；在x>N远场区，轴线上声压最高，偏离中心声压逐步降低，而且，分布完全对称。实际检测中，横波斜探头K值和探头声束轴线偏离测定，要求要在2N以外进行就是这个原因。N/2N3N6N第9页波束指向性和半扩散角至波源充分远处任意一点声压，如图所表示xP(r,θ)XYZoP(r,0))θ第10页波束指向性)θ0Y3.83第11页指向性系数：DC

波前充分远处任意一点声压P(r,θ)与波源轴线上同距离处声压P(r,0)之比。第12页1、DC≤1说明超声场中至波源充分远处同一横截面上各点声压不一样，以轴线上声压最高。实际探伤中，只有当声束轴线垂直于缺点时，缺点回波最高就是这个原因。2、半扩散角θ0

－园盘源辐射纵波声场第一零值发散角。

3、当θ>θ0时，|DC|<0.15,说明半扩散角以外声压很低，超声波能量主要集中在半扩散角以内。2θ0以内波束称为主波束（或主声束），只有当缺点位于主波束范围时，才轻易被发觉。以确定扩散角向固定方向辐射超声波特征称为声束指向性。第13页4、由θ0≈70λ/DS可知，增加探头直径DS，提升探伤频率f,半扩散角θ0将减小，即能够改进声束指向性，使超声波能量愈加集中，有利于提升探伤灵敏度。但由可知，增加探头直径DS和提升探伤频率f,近场区长度增加，对探伤不利。所以，在实际探伤中，要综合考虑DS和f对θ0及N影响，合理选择DS和f。普通是在确保探伤灵敏度前提下尽可能减小近场区长度。第14页波束未扩散区与扩散区超声波波源辐射超声波是以特定角度向外扩散出去，但并不是从波源开始扩散，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，各截面声压基础相同。所以，薄板试块前几次底波相差无几。到波源距离x>b区域称为扩散区，扩散区内波束扩散，存在扩散衰减。第15页第16页例题:计算2.5P20纵波直探头探测钢工件时近场区长度N、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：第17页例题:计算2.5MHz，φ20纵波直探头（2.5P20）探测钢工件时近场区长度N、半扩散角θ0和未扩散区长度b。第18页二、矩形波源辐射纵波声场yxQz2a2br)θ)φ0第19页矩形波源作活塞振动时，在液体介质中辐射纵波声场一样存在近场区和未扩散角等。与圆盘波源辐射纵波声场基础类似。设矩形波源长边为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相同处与不一样处。第20页波束轴线上声压:r≥3N时，式中：Fs—矩形波源面积，F=4ab

矩形波源近场区长度：矩形波源辐射主声束为四棱锥形，以下列图所表示第21页X方向半扩散角为：Y方向半扩散角为：

矩形波源辐射纵波声场与圆盘波源辐射声场不一样，矩形波源有两个半扩散角，其声场横截面为矩形。

第22页三、近场区在两种介质中分布

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一样介质中，如图所表示水浸检测，超声波是先进入水，然后再进入钢中。第23页

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，则钢中剩下近场区长度为式中N2—只有介质Ⅱ时，钢中近场长度；

C1—介质Ⅰ水中波速；

C2—介质Ⅱ钢中波速；

λ2—介质Ⅱ钢中波长。第24页例：用2.5MHz，直径14mm纵波直探头水浸探伤钢板，已知水层厚度为20mm，钢中纵波声速5900m/s，水中纵波声速1480m/s，求钢中近场区长度N。解：钢中纵波波长（mm）钢中近场区长度：（mm）第25页四、实际声场与理想声场

以上讨论是液体介质，波源作活塞振动，辐射连续波等理想条件下声场，简称理想声场。实际检测往往是固体介质，波源非均匀激发，辐射脉冲波声场，简称实际声场。它与理想声场是不完全相同。

第26页

由图可知，实际声场与理想声场在远场区轴线上声压分布基础一致。这是因为，当至波源距离足够远时，波源各点至轴线上某点波程显著降低，从而使波干涉大大减弱，甚至不产生干涉。但在近场区内，实际声场与理想声场存在显著区分。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即使也存在极大极小值，但波动幅度小，极大值远小于2P0。极小值也远大于零，同时极值点数量显著降低。这可从以下几方面来分析其原因。第27页（1）近场区出现声压极值点是因为波干涉造成。理想声场是连续波，波源各点辐射声波在声场中某点产生完全干涉。实际声场是脉冲波，脉冲波连续时间很短，波源各点辐射声波在声场中某点产生不完全干涉或不产生干涉。从而使实际声场近场区轴线上声压改变幅度小于理想声场，极值点降低。（2）实际声场波源是非均匀激发，波源中心振幅大，边缘振幅小。因为波源边缘引发波程差较大，对干涉影响也较大。所以这种非均匀激发实际波源产生干涉要小于均匀激发理想波源。第28页（3）理想声场是针对液体介质而言，而实际检测对象往往是固体介质。在液体介质中，液体内某点压强在各个方向上大小是相同。波源各点在液体中某点引发声压可视为同方向而进行线形迭加。在固体介质中，波源某点在固体中某点引发声压方向在二者连线上。对于波源轴线上点，因为对称性，使垂直于轴线方向声压分量相互抵消，使轴线方向声压分量相互迭加。显然这种迭加干涉要小于液体介质中迭加干涉，这也是实际声场近场区轴线上声压分布较均匀一个原因。第29页序号实际声场理想声场1差异固体介质声压不能线性叠加液体介质声压可进行线性叠加脉冲波非均匀激发连续波均匀激发不完全干涉或不干涉完全干涉、干涉大频率不是单一频率单一衰减系数α≠0衰减系数α=02＜N极值点少极值点多极大值＜2P0；极小值＞0Pmax=2P0；Pmin=0波动幅度小波动幅度大3＞N轴线上声压单调减小4＞3N轴线上声压P=P0F/λX扩散角：

θ0=sin-11.22λ/D指向性：实际声场波束指向性比理想声场波束指向性愈加好，波束更集中近场长度：N=D2/4λ未扩散区：b=1.64N第30页3.2横波发射声场一、横波波源假设

当前常见横波探头，是使纵波倾斜入射到界面上，经过波型转换来实现横波检测。当αL=αⅠ～αⅡ时，纵波全反射，第二介质中只有折射横波。横波探头辐射声场由第一介质中纵波声场与第二介质中横波声场两个别组成，两个别声场是折射，以下列图所表示，为了便于了解计算，特将第一介质中纵波波源转换为轴线与第二介质中横波波束轴线重合假想横波波源，这时整个声场可视为由假想横波波源辐射出来连续横波声场。第31页第32页

当实际波源为圆形时，其假想横波波源为椭圆形，椭圆长轴等于实际波源直径，短轴为:

式中α—纵波折射角；

β—横波入射角。第33页二、横波声场结构

横波轴线上声压横波声场同纵波声场一样因为波干涉存在近场区和远场区。当x≥3N时，横波声场波束轴线上声压为

式中K—系数；

FS—波源面积；

λS2—第二介质中横波波长；

x—轴线上某点至假想波源距离。

由以上公式可知，横波声场中，当x≥3N时，波束轴线上声压与波源面积成正比，与至假想波源距离成反比，类似纵波声场。第34页近场区长度横波声场近场区长度为

式中N—近场区长度，由假想波源算起由以上公式可知，横波声场近场区长度和纵波声场一样，与波长成反比，与波源面积成正比。第35页横波声场中，第二介质中近场区长度为

式中FS—波源面积；

λS2—第二介质中横波波长；

L1—入射点至波源距离；

L2—入射点至假想波源距离。第36页

我国横波探头常采取值（K=tanβ）来表示横波折射角大小，常见值为1.0、1.5、2.0和2.5等。为了便于计算近场区长度，在第Ⅰ介质为有机玻璃;第二介质为钢Ⅱ探头,特将与cosα/cosβ、tanα/tanβ关系列于表2.2。k值1.01.52.02.5

Cosβ/cosα0.880.780.680.6tanα/tanβ0.750.660.580.5第37页例1，试计算2.5MHZ、14×16方晶片K1.0(2.5P14×16K1)和K2.0(2.5P14×16K2)横波探头近场区长度。（钢中CS2=3230m/s）解：

由上式计算表明，横波探头晶片尺寸一定，K值增大，近场区长度将减小。第38页例2，试计算2.5MHZ、10×12mm方晶片K2.0横波探头，有机玻璃中入射点至晶片距离为12mm，求此探头在钢中近场区长度。（钢中CS2=3230m/s）解：第39页半扩散角从假想横波声源辐射横波声束同纵波声场一样，含有良好指向性，能够在被检材料中定向辐射，只是声束对称性与纵波声场有所不一样，以下列图所表示。第40页（1）在声束轴线与界面法线所决定入射平面内，声束不再对称于声束轴线，而是声束上半扩散角θ上大于声束下半扩散角θ下（2）在经过声束轴线与入射平面垂直平面内，声束对称于轴线，这时半扩散角可按下式计算。

对于圆片形声源：对于矩形正方形声源：由公式能够看出，在其它条件相同时，横波声束指向性比纵波好，横波能量更集中一些。因为横波波长比纵波短。第41页Δ

盲区:从探测面到能够发觉缺点最小距离。不是近场区，盲区是脉冲宽度+仪器阻塞效应。Δ

横波探头晶片尺寸一定，K值增大，近场区长度将减小。Δ

频率越高，指向性越好；Δ

小晶片指向性差，大晶片指向性好；Δ

在其它条件相同时，横波声束指向性比纵波好，横波能量更集中一些。第42页3.3规则反射体回波声压

前面讨论是超声波发射声场中声压分布情况，实际检测中常见反射法。反射法是依据缺点反射波声压高低来评价缺点大小。然而工件中缺点形状性质各不相同，当前检测技术还难以确定缺点真实大小和形状。反射波声压相同缺点实际大小可能相差很大，为此特引用当量法。当量法是指在一样检测条件下，当自然缺点反射波与某人工规则反射体回波等高时，则该人工规则反射体尺寸就是此自然缺点当量尺寸。自然缺点实际尺寸往往大于当量尺寸。第43页一、规则反射体反射波声压公式超声波检测中常见规则反射体有平底孔、长横孔、短横孔、球孔和大平底面等，下面分别讨论以上各种规则反射体回波声压。第44页平底孔回波声压

在X≥3N圆盘波源轴线上存在一平底孔缺点，设波束轴线垂直于平底孔，超声波在平底孔上全反射，平底孔直径较小，表面各点声压近似相等。第45页依据惠更斯原理能够把平底孔看成一个新圆盘源，其起始声压就是入射波在平底孔处声压第46页平底孔反射波声压

式中P0—波源起始声压；

FS—波源面积，

Ff—平底孔缺点面积；

λ—波长

x—平底孔至波源距离由上式可知，当检测条件（FS

，λ

）一定时，平底孔缺点回波声压或波高与平底孔面积成正比，与距离平方成反比。

第47页任意两个距离直径不一样平底孔反射波声压之比为：二者回波分贝差为：⑴当Df1=Df2，X2=2X1时,

这说明平底孔直径一定，距离增加一倍，其回波下降12db。第48页⑵当X2=X1,Df1=2Df2，时,这说明平底孔距离一定，直径增加一倍，其回波升高12db第49页长横孔回波声压

当x≥3N，超声波垂直入射，全反射，长横孔直径较小，长度大于波束截面尺寸时，超声波在长横孔表面反射就类似于球面波在柱面镜上反射。第50页长横孔回波声压

式中Df—长横孔直径。由上式可知，当探测条件（FS，λ

）一定时，长横孔回波声压与长横孔直径平方根成正比，与距离二分之三次方成反比。第51页任意两个距离、直径不一样长横孔回波分贝差为：

⑴当Df1=Df2，X2=2X1时,

这说明:长横孔直径一定，距离增加一倍，其回波下降9db。第52页⑵当X2=X1,Df1=2Df2，时,

这说明：长横孔距离一定，直径增加一倍，其回波升高3db第53页短横孔回波声压短横孔是长度显著小于波束截面尺寸横孔，设短横孔直径为Df，长度为Lf。当X≥3N时，超声波在短横孔上反射回波声压为：

LfxDsDf第54页

由上式可知，当探测条件（FS

，λ

）一定时，短横孔回波声压与短横孔长度成正比，与直径平方根成正比，与距离平方成反比。第55页

任意两个距离、长度和直径不一样短横孔回波分贝差为：

⑴当Df1=Df2，Lf1=Lf2,X2=2X1时,

这说明短横孔直径和长度一定，距离增加一倍，其回波下降12db，与平底孔改变规律相同。第56页⑵当X2=X1,Df1=Df2，Lf1=2Lf2时,

这说明短横孔直径和距离一定，长度增加一倍，其回波上升6db。（3）当X2=X1,Df1=2Df2，Lf1=Lf2时,

这说明短横孔长度和距离一定，直径增加一倍，其回波升高3db第57页大平底面回波声压当X≥3N时，超声波在与波束垂直、表面光洁大平底面上反射就是球面波在大平面上反射，x第58页其回波声压为:

由上式可知，当探测条件（FS

，λ

））一定时，大平底面回波声压与距离成反比。第59页两个不一样距离大平底面回波分贝差为：

当X2=2X1

时这说明大平底面距离增加一倍，其回波下降6db。第60页球孔回波声压设球孔直径为Df,超声波垂直入射，全反射，Df足够小。Dfx第61页

当X≥3N时，超声波在球孔上反射就类似于球面波在球面上反射，其回波声压为:

由上式可知，当探测条件（Fs，λ）一定时，球孔回波声压与距离平方成反比，与球孔直径成正比。

第62页

任意两个直径、距离不一样球孔回波分贝差为：（1）当Df1=Df2,x2=2x1时，这说明球孔直径一定，距离增加一倍，其回波下降12dB，与平底孔改变规律相同。第63页（2）当Df1=2Df2,x2=x1时，这说明球孔距离不变，直径增加一倍，其回波上升6dB第64页实心圆柱体曲底面回波声压

ax第65页球面波在凹柱面上反射声压：这里a=x，P1/a:球面顶点处入射波声压f=D/4=x/4,代入上式

这说明实心圆柱体反射波声压与大平底面回波声压相同。第66页空心圆柱体曲底面回波声压第67页空心圆柱体曲底面回波声压-外柱面径向探伤

上式说明外圆检测空心圆柱体，其回波声压低于同距离大平底面回波声压。因为凸柱面反射波发散。第68页空心圆柱体曲底面回波声压-内柱面径向探伤

上式说明内孔检测圆柱体，其回波声压大于同距离大平底回波声压。因为凹柱面反射波聚焦。第69页

以上各种规则反射体反射波声压公式均未考虑介质衰减，假如考虑介质衰减，则全部公式均应增加式中：x–反射体至探头距离，x≥3N

α–介质单程衰减系数，dB/mm第70页3.4AVG曲线AVG曲线是描述规则反射体距离A、反射波高度V及当量大小G之间关系曲线。A、V、G是德文距离、增益和大小字头缩写。英文缩写为DGS。AVG曲线可用于对缺点定量和灵敏度调整。

AVG曲线有各种类型，依据通用性分为通用AVG和实用AVG；据波型不一样分为纵波AVG和横波AVG；据反射体不一样分为平底孔AVG和横孔AVG等。下面以纵波平底孔为例来说明AVG曲线原理和绘制方法。第71页一、纵波平底孔AVG曲线1、通用AVG曲线—适合用于全部纵波探头当X≥3N，不考虑介质衰减时，大平底面与平底孔回波声压为当仪器垂直线性良好时，示波屏上波高与声压成正比。第72页为了简化计算，对上式进行归一化处理。令，，并代入上式得若用dB表示波高，则有

式中A—归一化距离；

G—归一化缺点当量大小；

V1—底波与始波高dB差；

V2—平底孔回波与始波高dB差。第73页纵波平底孔通用AVG曲线第74页

图中V均为负dB值，说明各底波与平底孔反射波均比始波低，需要增益对应dB值，才能到达与始波等高。在A＜3区域内，因为理论公式不适用，所以该区域曲线普通不绘出或由实测得到。由平底孔缺点通用AVG曲线可见，当A＜1时，因为波干涉，使平底孔回波声压趋于复杂化，出现极大极小值。但对于大平底而言，其回波几乎不随距离改变，在这个区域内入射波可视为平面波一个别，平均声压为常数。第75页

通用AVG曲线因为采取了归一化距离和归一化缺点当量大小，所以通用性好，适用不一样规格探头。通用AVG曲线能够用来调整检测灵敏度和对缺点进行定量。

第76页比如，用2.5MHZ、Φ20mm直探头探测厚400mm钢制饼形锻件，已知钢中，检测中在170mm处发觉一缺点，其回波高度比底波低10dB。⑴怎样利用底波调整φ2平底孔灵敏度？⑵求此缺点当量平底孔尺寸为多少？解:调灵敏度

1、求N第77页2、求400mm处，Φ2mm平底孔对应A和G

3、查AVG曲线过A=9.4处作垂线交G=0.1线于N，交B线于M，则MN所对应分贝值为400mm处大平底与φ2平底孔反射波分贝差：

Δ=［B］-［φ2］=44dB

第78页4、调整φ2灵敏度

调整仪器使第一次底波B1达基准波高（比如80%），然后释放44dB（增益型仪器，增加44dB，衰减型仪器，衰减44dB），至此φ2灵敏度调好，即这时400mm处φ2平底孔回波恰好达基准波高。对缺点定量

1、求Af

2、求Gf

过Af=4处作垂线,与比点M低10dBP点作水平线相交于Q点，则Q点所对应G值为所求：

Gf=0.3。第79页3、求缺点当量尺寸

通用AVG曲线即使通用性好，但使用中要进行归一化换算，不大方便，为此引入了适合用于特定探头专用AVG曲线，常称实用AVG曲线。第80页2、实用AVG曲线

以横坐标表示实际声程，纵坐标表示规则反射体相对波高，用来描述距离、波幅、当量大小之间关系曲线，称为实用AVG曲线，下列图为平底孔实用AVG曲线

第81页实用AVG曲线可由以下公式得到。不一样距离大平底反射波dB差不一样距离不一样大小平底孔反射波dB差同距离大平底与平底孔反射波dB差第82页

用以上公式计算绘制实用AVG曲线时，要统一灵敏度基准。比如上图是x=750mm，φ2平底孔为0dB。实用AVG曲线中X≥3N个别，可由理论公式计算得到，还可由实测CS-Ⅱ试块得到或由通用AVG曲线进行转换得到，但x＜3N区域只能经过实测得到。

第83页例：晶片直径D=20mm，频率2.5MHZ纵波直探头，利用公式绘制钢中实用AVG曲线。解：（1）首先要确定一个统一灵敏度基准。比如确定基准为x=750mm时，Φ2平底孔回波高度为0dB(2)计算不一样距离处同一大小平底孔回波dB差