第2章 超声波发射声场与规则反射体的回波声压 下载本文

内容发布更新时间 : 2024/12/26 2:19:48星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

第二章超声波发射声场与规则

反射体的回波声压

超声波探头(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,并且测试比较方便。因此对声场的理论分析研究常常从液体介质入手,然后在一定条件下过渡到固体介质。

又由于实际探伤中广泛应用反射法,因此本章在讨论了超声波发射声场以后,还讨论了各种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 1.波源轴线上声压分布

在不考虑介质衰减的条件下,图2.1所示的液体介质中圆盘源上一点波源ds辐射的球面波在波源轴线上Q点引起的声压为

式中 Po——波源的起始声压; ds——点波源的面积; λ——波长;

r——点波源至Q点的距离; κ———波数,κ=ω/c=2π/λ; ω——圆频率,ω=2πf; ‘ t——时间。

根据波的迭加原理,作活塞振动的圆盘波

源各点波源在轴线上Q点引起的声压可以线性迭加,所以对整个波源面积积分就可以得到波源轴线上的任意一点声压为

其声压幅值为

式中 Rs—波源半径;

χ——轴线上Q点至波源的距离。

上述声压公式比较复杂,使用不便,特作如下简化。

(2.1)

当χ≥2R,时,根据牛顿二项式 简化为

将(2.1)式

根据sinθ≈θ(θ很小时)上式可简化为

(2.2)

式中 Fs——波源面积,

(2.3)

(2.3)式表明,当χ≥3R;/A时,圆盘源轴线上的声压与距离成反比,与波源面积成正比。 波源轴线上的声压随距离变化的情况如图2.2所示。

(1)近场区:波源附近由于波的干涉而出现一系列声压极大极小值的区域,称为超声场的近场区,又叫菲涅耳区。近场区声压分布不均,是由于波源各点至轴线上某点的距离不同,存在波程差,互相迭加时存在位相差而互相干涉,使某些地方声压互相加强,另一些地方互相减弱,于是就出现声压极大极小值的点。

波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度,用N表示。

声压P有极大值,化简得极大值对应的距

离为

式中n=O、1、2、3、??<(Ds-一x)/2λ的正整数,共有n+1个极大值,其中n=0为最后一个极大值。因此近场长度为

(2.4)

声压P有极小值,化简得极小值对应的距离为

式中,n=0、1、2、3、??

近场区探伤定量是不利的,处于声压极小值处的较大缺陷回波可能较低,而处于声压极大值处的较小缺陷回波可能较高,这样就容易引起误判,甚至漏检,因此应尽可能避免在近场区探伤定量。

(2)远场区:波源轴线上至波源的距离x>N的区域称为远场区,又叫富琅和费区。远场区轴线上的声压随距离增加单调减少。当x>3N时,声压与距离成反比,近似球面波的规律,P=PoFs/λx.这是因为距离χ足够大时,波源各点至轴线上某一点的波程差很小,引起的相位差也很小,这样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。 2.波束指向性和半扩散角

至波源充分远处任意一点的声压如图2.3所示。

点波源ds在至波源距离充分远处任意一点M(r,O)处引起的声压为

整个圆盘源在点M(r,θ)处引起的总声压幅值为

式中 r——点M(r,θ)至波源中心的距离; θ——r与波源轴线的夹角;

(2.5)

J1——第一阶贝赛尔函数。

波源前充分远处任意一点的声压P(r,θ)与波源轴线上同距离处声压P(r,θ)之比.称为指向性系数,用Dc表示。

令y=κRssinθ,则

(2.6)

Dc与y的关系如图2.4。由图2.4可知:

(1)Dc=P(r,θ)/P(r,θ)≤l。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。

(2)当y=κRssinθ=3.83,7.02,10.17,??时,Dc=P(r,θ)/P(r,θ)=0,即P(r,θ)=O。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。由y=κR,sinθ0=3.83得:

(2.7)

式中θo一圆盘源辐射的纵波声场的第一零值发散角,又称半扩散角。 此外对应于y=7.02,10.17,??的发散角称为第二、三、??零值发散角。

(3)当y>3.83,即0>0。时,│Dc│

由θo一70λ/D,可知,增加探头直径Ds,提高探伤频率f,半扩散角θ将减小,即可以改善波束指向性,使超声波的能量更集中,有利于提高探伤灵敏度。但由

可知,增大Ds和f,近场区长度N增加,对探伤不利。因

此在实际探伤中要综合考虑Ds和f对θo及N的影响,合理选择Ds和f,一般是在保证探伤灵敏度的前提下尽可能减少近场区长度。

3.波束未扩散区与扩散区

超声波波源辐射的超声波是以特定的角度向外扩散出去的,但并不是从波源开始扩散的。而是在波源附近存在一个未扩散区b,其理想化的形状如图2.5。

(2.8)

在波束未扩散区b内,波束不扩散,不存在扩散衰减,各截面平均声压基本相同。因此薄板试块前几次底波相差无几。

到波源的距离x>b的区域称为扩散区,扩散区内波束扩散衰减。 下面举例说明近场区长度N、半扩散角θ。糯未扩散区长度b的计算。

若用f=2.5MHz,Ds=20mm的探头探测波速cL=5900m/s的钢工件,那么N、θ。和b分别为

4.超声场截面声压分布

前面讨论的是波源轴线上的声压分布情况,未涉及声场截面各点的声压分布情况。下面就来讨论超声场横截面与纵截面上声压特点。

(1)横截面声压分布:超声场近场区与远场区各横截面上的声压分布是不同的。如图2.6

所示,在x

(2)纵截面声压分布:超声场近场区纵截面声压分布如图2.7所示,图中Rs为波源半径,

K为波数, 图中各曲线为等压线,数字表示P/P。的比值。由该图可知,波源附近纵截面上声压分布十分复

杂.而且kRs愈大就愈复杂。

二、矩形波源辐射的纵波声场

如图2.8所示,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,其计算公式为