第3章超声波发射声场与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Chapter3SoundField&EchoSoundPressure目录Contents3.1纵波发射声场3.2横波发射声场3.3聚焦声源发射声场3.4规则反射体的回波声压3.5AVG曲线3.1纵波发射声场3.1.1圆盘波源辐射的纵波声场3.1.2矩形波源辐射的纵波声场3.1.3纵波声场近场区在两种介质中的分布3.1.4实际声场与理想声场比较3.1.1圆盘波源辐射的纵波声场2202022002sin()22sin)23/sssssssPPRxxRxxRRPPxxRPRPFPxx声轴线上的声压幅值为：式中：——声源半径；——声程。当时：（当（足够远）时：1.波源轴线上声压分布3.1.1圆盘波源辐射的纵波声场理论计算仿真3.1.1圆盘波源辐射的纵波声场近场区（菲涅尔区）：在声源附近由于波的干涉而出现一系列声压极大值和极小值的区域。在近场区内，声束不扩散。近场区长度N：波源轴线上最后一个声压极大值到波源的距离222222222()(21)4(21)0,44ssssssRxxDnxnnnDDRFN当＝（2n＋1）时，声压有极大值：2式中：——正整数，取即声压的最后极大值出现的声程：3.1.1圆盘波源辐射的纵波声场注：波源轴线上最后一个声压为0的距离是0.5N远场区（xN）：声压随距离增加单调减小；足够远场（x3N），——声压与声程成反比——近似球面波的规律——所有规则反射体回波声压计算的基础。2222()(2)81234...ssRxxDnxnn当＝n时，声压有极小值：、、、时对应的声程约为N/2、N/4、N/8...0/sPPFx3.1.1圆盘波源辐射的纵波声场2.超声场横截面声压分布近场区（xN)：存在中心轴线上声压为0的截面，中心轴线上声压为0，偏离中心声压较高；远场区(x》N)：轴线上声压最高，偏离中心声压逐渐降低。同一横截面上声压分布完全对称。3.1.1圆盘波源辐射的纵波声场3.1.1圆盘波源辐射的纵波声场应用：探头声轴偏移的测量、折射角的测量均应在远场。3.1.1圆盘波源辐射的纵波声场3.波束指向性和半扩散角指向性：声束集中向一个方向辐射的性质。03.1.1圆盘波源辐射的纵波声场0sin3.83,7.02,10.17...00sin3.83sin1.2270()scssskRDkRarcDD当y=时，＝，即有声压为点。当y=，即第一零点发散角——半扩散角：rrθθ0120半扩散角θ0（指向角、第一零值发散角）3.1.1圆盘波源辐射的纵波声场结论：探头频率f越高，晶片尺寸Ds越大，半扩散角θ0越小，波束的指向性越好，方向性越好，定位误差越小。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未扩散区长度b≈1.64N3.1.2矩形波源辐射的纵波声场00sin(sincos)sin(sin)(,,)sincossin(,0,0)ssPFKaKbPrrKaKbPFPrr远场任意点处的声压：远场声轴线上声压：3.1.2矩形波源辐射的纵波声场短边平面长边平面00(,0,)sin(sin)(,0,0)sinarcsin57()22arcsin57()22rooYOZPrKbDPrKbYOZbbXOZaa在平面内指向性系数：在平面内的半扩散角为：同样，在平面内的半扩散角为：3.1.2矩形波源辐射的纵波声场近场区长度特点：与圆盘波源相同。sFN3.1.3纵波声场近场区在两种介质中的分布钢中剩余近场区长度N’在水浸法检测中，如水层距离小于水中近场长度，则在钢中的剩余近场区长度基于水中近场区计算：2111122'()()4sDccNNLLcc3.1.4实际声场与理想声场比较理想声场：连续波均匀激励、理想液体介质；实际声场：脉冲波非均匀激励、固体介质。特点：相同：远场；不同：近场：实际声场近场的声压分布较均匀，幅度变化较小，极大值点的数量也少，极小值远大于0。3.1.4实际声场与理想声场比较3.1.4实际声场与理想声场比较理想声场是连续波，在某点完全干涉；实际声场是脉冲波，部分干涉或不干涉；激励脉冲包含了许多频率成分，每个频率的信号激励晶片所产生的声场相互叠加，使总声压分布趋于均匀；3.1.4实际声场与理想声场比较实际声场声源的激励非均匀，中间幅度大，边缘幅度小，而干涉主要受边缘的影响大，所以产生的干涉比均匀激励时的小的多；理想声场针对液体，声压线形叠加；实际声场针对固体，声压方向在连接线上，叠加干涉少。3.2横波发射声场3.2.1假想横波波源3.2.2横波声场的结构3.2.1假想横波波源假想：把第一介质中的纵波声场转换为轴线与横波波束一致的横波声场。假想横波声源为椭圆，长轴为Ds，短轴为：'coscosssDD3.2.1假想横波波源在足够远处声轴线上的声压：规律：与纵波相似。'2'coscosssssKFPxFF式中：——等效声源面积3.2.2横波声场的结构假想横波声源的近场区长度：横波声场中第二介质中的近场区长度：讨论：增大K值，对近场区长度的影响？212costan'costanssFNNLL2coscosssFN'11111sltgNNLtgFNL在钢中的剩余近场长度简便算法：式中：——声源在斜楔中的纵波声场近场长度；——入射点到声源的距离。3.2.2横波声场的结构3.2.2横波声场的结构纵波折射的横波声场，声束不对称，存在上下两个半扩散角（θ上θ下）：211221121sin,sin1.22sin1()1.22cosLsLssLababaDcbDc上下3.2.2横波声场的结构横波垂直入射220220arcsin1.2270arcsin5722ssssssDDaa对圆形声源：对正方形声源：3.3聚焦声源发射声场3.3.1聚焦声场的形成3.3.2聚焦声场的特点与应用3.3.1聚焦声场的形成分类：水浸、接触3.3.2聚焦声场的特点与应用声压分布可见，焦距F越小，B=N/F越大，聚焦效果越好。若焦距F≥N，B≤1，几乎失去聚焦意义。3.3.2聚焦声场的特点与应用理想焦点是几何点或线——按照几何声学在理想的情况下得到；实际焦点并非点或线，而是焦柱——干涉、声透镜存在球差。焦柱尺寸：22/2//2/dFRLFRLdFRFR焦柱直径：焦柱长度：式中：——焦距；——声源半径。3.3.2聚焦声场的特点与应用粗晶材料检测——声束细，散射概率小，信噪比高，灵敏度高；缺陷尺寸测量——更准确；裂纹高度测量——用TOFD检测技术测量准确；缺点：声束细、检测效率低；固定焦距探头仅适用于一定深度范围。3.4规则反射体的回波声压大平底FlatBottom平底孔Bottom-DrilledHole长横孔LongSide-DrilledHole短横孔ShortSide-DrilledHole球孔Sphere大直径圆柱体HugeDiameterCylinder计算的前提所有规则反射体回波声压计算的前提：0x3N2sFPPxx1、反射体在声场的足够远处：声轴线上声压随声场的变化规律近似球面波：、反射体表面光滑、声束垂直入射、声压全反射。大平底02sBFPPx大平底回波声压：规律：声压与声程成反比、与频率成正比。122112001212XX2220lg20lgssBBBBFFPPPPxxPxdBPx两厚度分别为，的大平底的回波声压分别为：所以，距离相差一倍，其回波声压相差6dB.平底孔——平底孔回波声压0022ssfsfFPPxFFPxFFxf平底孔处的声压：探头接收到的平底孔回波声压：P式中：——声源面积；——平底孔面积。规律：回波声压与平底孔直径的平方成正比、与声程的平方成反比、与频率的平方成正比。平底孔——两平底孔回波比较平底孔孔径差1倍：回波声压差12dB平底孔声程差1倍：回波声压差12dB120022221221212212120lg20lg40lgssFFFFPPPPxxPDxDxdBPDxDxf1f2f1f2声程和孔径不同的两平底孔回波声压：二者的回波声压（高度）差：平底孔——平底孔与大平底比较002222220lg20lg2sfsBBfBBfFFFPPPPxxPdxdBPxff大平底和平底孔的回波声压分别为：两回波的声压（高度）差为：应用：底波法调整灵敏度、缺陷当量计算。长横孔规律：长横孔回波声压与直径的平方根成正比、与声程的3/2次方成反比、与频率成正比。孔径相同，声程差一倍，回波差9dB声程相同，孔径差一倍，回波差3dB.0131121232212220lg10gfsffffDPFPxxPDxlPDxV长横孔回波声压：两长横孔回波声压（高度）差：短横孔规律：短横孔回波声压与长度、直径平方根成正比、与声程的平方成反比、与频率成正比。024111212242212220g10lgffsffffffflDPFPxxPlDxlPlxDV短横孔回波声压：两短横孔回波声压（高度）差：球孔规律：球孔声压直径成正比、与声程的平方成反比、与频率成正比。直径一定，声程相差一倍，声压差12dB声程一定，直径相差一倍，声压差6dB02112122221420g20lgfsfffffDPFPxxPDxlPDxV球孔的回波声压：两球孔的回波声压（高度）差：大直径圆柱体——实心圆柱体回波声压：可见：与厚度与直径相同的大平底相同。02sFPPD``D大直径圆柱体——空心0022sBsBPFdPsDPFDPxd从外圆周径向入射时回波声压：从内圆周径向入射时回波声压：可见，从外圆周面入射时比大平底回波低，因为内壁凸面发散。从内圆周径入射时比大平底回波高，因为外壁凹面聚焦。规则反射体的回波声压若考虑介质衰减，回波声压应为：208.6822208.68208.68208.68208.68208.68208.682224222axsffaxfsfaxffsfaxfsfaxsBaxsBaxsBPFFPexDPFPexxlDPFPexxDPFPexxPFPexPFdPexDPFDPexd平底孔：长横孔：短横孔：球孔：大平底与实心圆柱体：空心圆柱体外圆入射：空心圆柱体内圆入射：3.5.1纵波平底孔AVG曲线3.5.2横波平底孔AVG曲线3.5AVG曲线3.5.1纵波平底孔AVG曲线—通用曲线制作：x3N计算;x3N实测202200084420lg20lg20lg20lg2220lg40lg40lg40lg40lgsBfsffsBBffDPPxDDPxxDxAGNDPVAPAPGVGAPA大平底回波声压：平底孔回波声压：P归一化声程：，归一化缺陷当量：大平底相对波高：平底孔相对波高：3.5.1纵波平底孔AVG曲线—通用曲线3.5.1纵波平底孔AVG曲线—通用曲线优点：通用性强，适用于不同探头。缺点：归一化计算复杂。3.5.1纵波平底孔AVG曲线—通用曲线例：用2.5P20直探头检测厚度为400mm的钢锻件，已知纵波声速为5900m/s，在170mm处发现一缺陷，其回波比底波低10dB。（1）如何用底波调整φ2mm灵敏度？（2）求此缺陷的当量平底孔尺寸。3.5.1纵波平底孔AVG曲线—实用曲线制作以特定仪器和探头，在不同深度和孔径的反射体试块上实测。优点使用简单，无需归一化计算。缺点只适用于某特定的仪器和探头。3.5.1纵波平底孔AVG曲