第2章 超声波发射声场与规则反射体的回波声压
《超声波》PPT课件
谐振方程
• y=Acon(ωt+φ)
y—质点的位移 A—振幅 ω—角频率 φ—初相位
阻尼振动： 在阻力作用下的简谐运动。
振动过程中受到阻力的振动，振幅逐渐减小，直至振动停止。
机械波：
机械振动在弹性介质中的传播过程 • 产生机械波必须具备的两个条件： • （1）作机械振动的波源 • （2）能传播机械振动的弹性介质
超声波的衰减
• 扩散衰减 超声波的扩散衰减仅取决于波阵面的形状，与介质的
性质无关。 • 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。 • 吸收衰减
由于介质中质点间内磨擦（即粘滞性）和热传导引起 超声波的衰减 • 通常所说的介质衰减是指吸收衰减与散射衰减，不包括 扩散衰减。以线衰减系数μ表示。
体中传播)
•
(三)表面波R：沿介质表面传播，质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，
椭圆短轴平行于波的传播方向，可视为纵波和横波的合成。(又称瑞利波)
•
(四)板波： 在板厚与波长相当的薄板中传播的波。可分为SH波和兰姆波。
波的类型
超声波的传播特性
• 波长与声速
C= λ f
CL > Ct >CR
y= A cosω(t-x/c) X
y=
A X
cosω(t-x/c)
超声波的波动特性
• 波的叠加 • 波的干涉 • 驻波
.振动频率、振幅和传播速度相同而传播方向相反的两列波叠加时，就产生驻
波。比如水波碰到岸边反射回来时，前进和反射波的叠合就产生驻波。
超声波(3)
mm
由上计算表明，横波探头晶片尺寸一定，K值增大，近
2015-4-14 场区长度将减小。 34
例4：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的距离为
12mm，求此探头在钢中的近场区长度N′。(钢
中CS=3230m／s
解： C S 2 3.23 1.29 S2
KFS cos P S 2 x cos
3-21
式中: K — 系数；
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Fs — 波源的面积；
32
λs2 —第二介质中横波波长； x—轴线上某点至假想波源的距离。
⒉近场区长度
横波声场近场区长度N为：
F S cos N S 2 cos
第二介质中的近场区长度N′
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在声束轴线与界面法线所决定的入射平面
内，声束不再对称于声束轴线，而是声束上半
扩散角θ上大于声束半扩散角θ下
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K tg
上 ， 下 1
sin sin cl1 cs2
sin 2 sin 2 C L1 CS 2
sin 1 sin 1 ， C CS 2 2015-4-14 L1
1 ， 2 38
横波垂直入射时，其声束对称于轴线，半扩
散角θ0 对于圆片形声源： 0 arcsin1.12 s 2 Ds 70 Ds
对于正方形声源：
0 arcsin s 2
λ θ0 70 DS
Ds2 Fs N 4
④ 增加探头的直径、提高探头的频率，半扩散 角将减小，可以改善声束指向性，能量集中， 有利于提高探伤灵敏度。 但增大了近场长度，对探伤反而不利。实
超声波探伤第3讲 (2)
第二章 超声波发射声场与——规则反射体的回波声压§2.1纵波发射声场一、圆盘声源辐射的纵波声场 1.波源轴线上的声压分布如图2.1所示,设液体介质中有一圆盘声源作连续活塞振动,辐射单一频率的连续正弦波。
图2.1圆盘声源轴线上的声压)(2220X X R Sin P P -+=λπR 一波源的半径,波源直径D=2R;当m>D(2R)时,(2.1)式可简化为:λπX DSinP P 8220=当X时，进一步简化：λX F P P 0=式中：F ——波源的面积，。
圆盘声源轴线上的声压分布规律如图2.2所示。
图2.2声学上把由子波的干涉在波源附近的轴线上产生一系列声压极大极小值的区域称为超声场的近场区,又称菲涅耳区。
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。
近场区长度N 可以用下式来计算：λλλ44222D D N =-=2.超声场截面声压分布3.波束指向性与半扩散角超声波的能量主要集中在以内的锥形区域内，此区域称为主波束。
圆晶片辐射的波束半扩散角为:D Dλλθ7022.1arcsin 0==4.未扩散区与扩散区从理想化圆晶片辐射的声场(图 2.5)可以发现,超声波扩散波束并不是从波源开始扩散的,N b 64.1=式中：N 一近场区长度。
二、矩形波源辐射的纵波声场长为α、宽为b 的矩形波源作活塞振动,在液体介质中辐射的纵波声场类似于圆盘源，当x 3N 时,波束轴线上的声压为：λX Fp P 0=(a) (b)图2.6 矩形波源的指向性当a=b 时,波源为正方形。
波束在X 和Y 方向的半扩散角均为za aλλθ57arcsin0==（度）§2.2横波发射声场一、 假想波源图2.9横波声的与假想波源四、指向性和半扩散角图2.10横波声场半扩散声ββθ-2=上1-ββθ=下b a -=1sin β b a +=2sin β21)22.1(1sin Da L λβ-=αλCos DC C b L S L 12122.1=在通过声束轴线入射平面垂直的平面内，声束对称于轴线，这时半扩散角可按下式计算。
《超声波探伤》理论要点汇总
第一章 超声波探伤的物理基础
超声场的特征值 声阻抗的物理意义 声阻抗随温度变化的关系 声强与频率、声压的函数关系 界面两侧的声波必须符合的两个条件 由Z1、Z2相对大小的4种情况计算出反射率和透射率，得出4个结论 Z1＝Z3≠Z2时异质薄层厚度对反射率和透射率的影响(半波透声层) 超声波频率f对异质薄层的声压反射率和透射率的影响 Z1≠Z2≠Z3时薄层厚度对反射率和透射率的影响(直探头保护膜)
仪 器
定量要求高----垂直线性好、衰减器精度高
的 大型工件----灵敏度余量大、信噪比高、功率强
选 为发现近表面缺陷和区分相邻缺陷----盲区小、分辨力好 择
现场探伤----重量轻、荧光亮度高、抗干扰能力强
第四章 超声波探伤方法和通用技术
第二节 仪器与探头的选择
探头型式的选择----根据缺陷可能出现的位置及方向
双探头法—原理、计算方法、局限性
端部回波峰值法—原理、计算方法、影响测量精度的因素、局限性
横波端角反射法—原理、衡量方法 、局限性
第八节 超声波倾斜入射到界面时的反射和折射 纵波倾斜入射到钢/空气界面的反射率 横波倾斜入射到钢/空气界面的反射率 纵波倾斜入射水/钢界面时的声压往复透射率(及实际意义) 纵波倾斜有机玻璃/钢界面时的声压往复透射率(及实际意义) 纵波入射时的端角反射率 横波入射时的端角反射率(最高最低时的αS、K值)
第一章 超声波探伤的物理基础
谐振动的特点(3点) 阻尼振动的特点(3点) 受迫振动的特点(4点) 阻尼振动、受迫振动、共振在超声波探伤中的应用 产生机械波必须具备的两个条件 机械波的本质 波长与波源和质点振动的关系 波动频率与振动频率的关系
第一章 超声波探伤的物理基础
超声波探伤所用频率范围 金属检验所用频率范围 超声波用于检测的重要特性(优点) 纵波的受力、形变、质点运动特点、传播介质 横波的受力、形变、质点运动特点、传播介质 表面波的受力、质点运动特点、传播介质、能量传播特点 板波质点运动特点、传播介质 波线与波阵面、波前的空间关系(各向同性介质中) 平面波的形成(3要素) 柱面波的形成(3要素) 球面波的形成(3要素)
超声波发射声场与规则反射体的回波声压PPT课件
P(r,0,0) P0Fs
r
矩形声源辐射的纵波声场 ——声轴线上声压分布
声压计算与声场仿真
矩形声源辐射的纵波声场
——指向性
在 YOZ平 面 内 指 向 性 系 数 ：
Dr
P (r,0, ) P (r,0,0)
sin(K b sin ) K b sin
在 YOZ平 面 内 的 半 扩 散 角 为 ：
kRs sin
kRs sin
经 查 得 ： kRs sin 2.9
所 以 ： 12dB
arcsin
2 .9 kRs
arcsin 0.92
Ds
20dB半 扩 散 角 ：
2 0 lg 2 J 1 ( k R s s in ) ＝ 2 0 d B， 可 得 ：2 J 1 ( k R s s in ) 0 .1
0
arcsin
2b
57
2b
(o )
短边平面
同 样 ， 在 XOZ平 面 内 的 半 扩 散 角 为 ：
0
arcsin
2a
57
2a
(o )
长边平面
矩形声源辐射的纵波声场 ——近场长度
超声波发射声场与 规则反射体的回波声压
Chapter 3 Sound Field & Echo Sound Pressure
目 录 Contents
纵波发射声场 横波发射声场 聚焦声源发射声场 规则反射体的回波声压 AVG曲线
纵波发射声场 longitudinal Wave Sound Field
Ds
0
arc sin1.22
Ds
自由声场与脉冲反射法指向性的关系：
特种设备无损检测人员(UT-Ⅱ级)考核大纲
特种设备无损检测人员（Ⅱ级）考核大纲（超声检测部分）第一章通用知识中的专业基础知识1 超声波探伤物理基础1.1 振动与波动1.1.1 振动⑴振动的一般概念（B）⑵谐振动（A）⑶阻尼振动（A）1.1.2 波动⑴机械波的产生与传波（C）⑵波长、频率和波速（B）1.1.3 次声波、声波和超声波⑴次声波、声波和超声波的区分（A）⑵超声波的应用（B）1.2 波的类型1.1.1 按质点的振动方向分类⑴纵波、横波及表面波（B）⑵板波（A）1.2.2 按波的形状分类平面波、柱面波和球面波（A）1.2.3 按振动的持续时间分类连续波和脉冲波（A）1.3 超声波的传波速度1.1.1 固体介质中的纵波、横波与表面波声速⑴无限大固体介质中的声速（A）⑵细长棒中的纵波声速（A）⑶声速与温度、应力及介质材质均匀性的关系（A）1.3.2 板波声速的一般知识（A）1.3.3 液体、气体介质中的声速⑴液体、气体介质中的声速公式（A）⑵液体介质中的声速与温度的关系（A）1.3.4 声速的测量⑴超声波探伤仪测量法（A）⑵测厚仪测量法（A）⑶示波器测量法（A）1.4 波的迭加、干涉、衍射和惠更斯原理1.4.1 波的迭加与干涉⑴波的迭加原理（A）⑵波的干涉（A）1.4.2 惠更斯原理和波的衍射⑴惠更斯原理（A）⑵波的衍射（绕射）（A）1.5 超声场的特征值1.5.1 声压、声阻抗及声强的定义（B）1.5.2 声压、声阻抗及声强的一般表达式及各参数的物理意义（A）1.5.3 声压、声阻抗及声强的单位及变化规律（A）1.6 分贝与奈培1.6.1 分贝与奈培的概念⑴分贝的定义及相互换算（B）⑵分贝与奈培的公式、计算及应用（A）1.7 超声超垂直入射到界面时的反射和透射1.7.1 单一平界面的反射率与透射率⑴声压反射率与声压透射率的定义及应用（B）⑵声强反射率与声强透射率的定义及应用（B）⑶声阻抗的定义及应用（B）1.7.2 薄层界面的反射率与透射率⑴均匀介质中的异质薄层（Z1＝Z2≠Z3）①影响声压反射率、声压透射率有关因素（B）②声压反射率与波长、薄层厚度的关系（B）③反射和透射的特征（A）⑵薄层两侧介质不同的双界面（Z1≠Z2≠Z3）声压往复透过率与薄层厚度的关系（B）1.7.3 声压往复透过率⑴声压往复透过率的定义、计算公式及计算（B）⑵声压往复透过率与声阻抗、入射方向的关系和变化规律（A）⑶声压往复透过率与检测灵敏度的关系（B）1.8 超声超倾斜入射到界面时的反射和折射1.8.1 波型转换与反射、折射定律⑴纵波斜入射①反射、折射定律及第一、二、临界角的定义、计算和应用（C）②产生波型转换的条件（B）⑵横波入射反射、折射定律及第三临界角的定义、计算和应用（C）1.8.2 声压反射率⑴纵波倾斜入射到钢/空气界面的反射①影响声压反射率、透过率的基本因素（A）②常见界面的声压反射率、透过率图及某些特征的应用（A）⑵横波倾斜入射到钢/空气界面的反射①影响声压反射率、透过率的基本因素（A）②常见界面的声压反射率、透过率图及某些特征的应用（A）1.8.3 声压往复透过率⑴声压往复透过率定义（B）⑵水/钢界面声压往复透过率（A）⑶有机玻璃/钢界面声压往复透过率（A）1.8.4 端角反射⑴端角反射定义及特征（B）⑵端角反射率及应用（C）1.9 超声波的聚焦与发散1.9.1 声压距离公式及各参数的物理意义（B）1.9.2 球面波在平界面上的反射与折射⑴在单一平界面上的反射（B）⑵在双界面的反射（A）⑶在单一平界面上的折射（A）1.9.3 平面波在曲界面上的反射与折射⑴在曲界面上的反射、透射、聚焦、发散的产生条件、特征和应用（B）⑵影响聚焦、发散的主要因素（A）⑶声透镜的应用及原理（B）1.9.4 球面波在曲界面上的反射与折射⑴球面波在曲界面上的反射①球面波在球面上的反射波及应用（B）②球面波在柱面上的反射波及应用（B）⑵球面波在曲界面上的折射现象及应用（A）1.10 超声波的衰减1.10.1 衰减的原因⑴扩散衰减（A）⑵散射衰减（A）⑶吸收衰减（A）1.10.2 衰减方程与衰减系数⑴衰减方程（A）⑵衰减系数（A）1.10.3 衰减系数的测定⑴薄板工件衰减系数的测定、计算及应用（B）⑵厚板或粗圆柱衰减系数的测定、计算及应用（B）2 超声波发射声场与规则反射体的回波声压2.1 纵波发射声场2.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场⑴波源轴线上声压分布①波源轴线上的任意一点声压公式及应用（B）②近场区定义、其声压分布特征及应用（B）③远场区定义、其声压分布特征及应用（C）⑵波束指向性和半扩散角①定义、计算公式及各参数的物理意义（B）②波束指向性和半扩散角的影响因素（A）③波束指向性和半扩散角对检测灵敏度的影响及应用（C）⑶波束未扩散区和扩散区①定义、计算公式及各参数的物理意义（B）②波束未扩散区和扩散区的影响因素及应用（A）2.1.2 矩形波源辐射的纵波声场⑴定义、计算公式及计算、各参数的物理意义（C）⑵近场区声压分布特征及应用（B）⑶远场区声压分布特征及应用（B）⑷矩形波源辐射的纵波声场与圆盘波源辐射的纵波声场差异（A）2.1.3 近场区在两种介质中的分布⑴近场区在两种介质中的计算及应用（B）2.1.4 实际声场与理想声场的比较⑴实际声场与理想声场的定义（B）⑵近场区内的实际声场与理想声场的区别及原因（A）⑶实际声场与理想声场在远场区轴线上声压分布情况（B）2.2 横波发射声场2.2.1 假想横波波源⑴横波探头辐射声场的组成（A）⑵横波探头辐射的实际波源与假想横波波源的区别及相互关系（B）2.2.2 横波声场的结构⑴波束轴线上（当X≥3N时）的声压计算公式、计算及应用（B）⑵近场区长度计算公式、各参数的物理意义、计算及应用（B）⑶半扩散角①横波声束半扩散角与纵波声束半扩散角的区别（A）②横波声束半扩散角的计算公式、各参数的物理意义、计算及应用（B）2.2.3 聚焦声源发射声场⑴聚焦声场的形成（A）⑵聚焦声场的特点和应用（A）2.2.4 规则反射体的回波声压⑴平底孔回波声压（当X≥3N时）①平底孔回波声压的特征，声压与孔径、孔距之间的关系（C）②平底孔回波声压的计算公式、各参数的物理意义、计算及应用（C）⑵长横孔回波声压（当X≥3N时）①长横孔回波声压的特征，声压与孔径、孔距之间的关系（C）②长横孔回波声压的计算公式、各参数的物理意义、计算及应用（C）⑶短横孔回波声压（当X≥3N时）①短横孔回波声压的特征，声压与孔径、孔长、孔距之间的关系（C）②短横孔回波声压的计算公式、各参数的物理意义、计算及应用（C）⑷球孔回波声压（当X≥3N时）①球孔回波声压的特征，声压与孔径、孔距之间的关系（C）②球孔回波声压的计算公式、各参数的物理意义、计算及应用（C）⑸大平底面回波声压（当X≥3N时）①大平底面回波声压的特征，声压与距离之间的关系（C）②大平底面回波声压的计算公式、各参数的物理意义、计算及应用（C）⑹圆柱曲底面回波声压（当X≥3N时）①实心圆柱体Ⅰ实心圆柱体底面回波声压的特征，声压与距离之间的关系（C）Ⅱ实心圆柱体底面回波声压的计算公式、各参数的物理意义、计算及应用（C）②空实心圆柱体Ⅰ空实心圆柱体底面回波声压的特征，声压与距离之间的关系（C）Ⅱ空实心圆柱体底面回波声压的计算公式、各参数的物理意义、计算及应用（C）2.2.5 A VG曲线⑴纵波平底孔A VG曲线（当X≥3N时）①通用A VG曲线的制作、计算及应用（B）②实用A VG曲线的制作、计算及应用（B）⑵横波平底孔A VG曲线（当X≥3N时）①通用A VG曲线的制作、计算及应用（B）②实用A VG曲线的制作、计算及应用（B）3 仪器、探头和试块3.1 超声波探伤仪3.1.1超声波探伤仪概述⑴仪器的作用（B）⑵仪器的分类①按超声波的连续性分类（A）②按缺陷显示方式分类（A）③按超声波的通道分类（A）3.1.2 A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理⑴仪器电路方框图⑵仪器主要组成部分及其工作原理（B）3.1.3 仪器主要开关旋钮的作用及其调整⑴用于调节探伤仪功能的开关旋钮（工作方式选择旋钮、发散强度旋钮、衰减器、增益旋钮、抑制旋钮、深度范围及深度细调旋钮、延迟旋钮、聚焦旋钮、）（C）⑵用于调节探伤仪工作状态的开关旋钮（频率选择旋钮、水平旋钮、垂直旋钮、深度补偿开关、辉度旋钮、重复频率旋钮、显示选择开关）（C）3.1.4 仪器的维护⑴仪器的维护的目的（B）⑵仪器的维护的内容和要求（B）3.1.5 数字式超声波探伤仪⑴数字式超声波探伤仪的特点（A）⑵数字式超声波探伤仪3.2 超声波测厚仪3.2.1 超声波测厚仪分类、主要组成部分及工作原理（B）3.2.2 超声波测厚仪的调整、测试、维护和应用（C）3.3 超声波探头3.3.1 工作原理（压电效应）⑴压电效应定义及产生机理（B）⑵影响压电效应的几个主要因素（压电材料性能主要参数）①压电应变常数d33定义、计算公式、公式各参数的物理意义及应用（B）②压电电压常数G33定义、计算公式、公式各参数的物理意义及应用（B）③介电常数ε定义、计算公式、公式各参数的物理意义及应用（B）④机电耦合系数K定义、计算公式及应用（B）⑤机械品质因子θm定义、计算公式、公式各参数的物理意义及应用（B）⑥频率常数N定义、计算公式、公式各参数的物理意义及应用（B）⑦居里温度T定义及应用（B）3.3.2 探头的种类和结构⑴分类方法（按波型分、按耦合方式分、按波束分、按晶片数量分）（B）⑵探头的基本结构（直探头、斜探头、表面波探头、双晶探头、聚焦探头、可变角探头、高温探头）（B）3.3.3 探头型号（探头型号的组成内容）（B）3.4 试块3.4.1 试块的作用（B）3.4.2 试块的分类（B）3.4.3 试块的要求和维护（B）3.4.4 国内常用试块简介及应用（C）3.4.5 国外常用试块简介及应用（A）3.5 仪器和探头的性能及其测试3.5.1 仪器性能（垂直线性、水平线性、动态范围、衰减器精度）及其测试（B）3.5.2 探头的性能（入射点、K值和折射角βS、主声束偏离与双峰、声束特性）及其测试（B）3.5.3 仪器和探头的综合性能（灵敏度、盲区及始脉冲宽度、分辨力、信噪比）及其测试（B）4 超声波探伤方法和通用探伤技术4.1 超声波探伤方法概述4.1.1 超声波探伤方法的分类⑴按原理分（脉冲反射法、穿透法、共振法）（A）⑵按波型分（纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法）（A）⑶按探头数目分（单探头法、双探头法、多探头法）（A）⑷按探头接触方式分（直接接触法、液浸法）（A）4.1.2 超声波探伤方法的应用（B）4.2 仪器和探头的选择4.2.1 仪器的选择（选择依据和选择原则）（B）4.2.2 探头（型式、频率、晶片尺寸、K值）的选择（选择的依据、原则、目的和要求）（B）4.3 耦合与补偿4.3.1 耦合剂（作用、要求、种类及应用）（B）4.3.2 影响声耦合的主要因素（耦合层厚度、耦合剂声阻抗、工件表面粗糙度、工件表面形状）（B）4.3.3 表面耦合损耗的测定和补偿（B）4.4 探伤仪的调节4.4.1 扫描速度的调节⑴纵波扫描速度的调节（试块、方法和要求）（C）⑵表面波扫描速度的调节（试块、方法和要求）（B）⑶横波扫描速度的调节（试块、方法和要求）（C）4.4.2 探伤灵敏度的调节⑴探伤灵敏度的定义、调节目的和要求（B）⑵调节方法（试块调整法、工件底波调整法）及应用（C）4.5 缺陷位置的测定4.5.1 纵波（直探头）探伤时缺陷定位（方法、计算公式）及应用（C）4.5.2 表面波探伤时缺陷定位（方法、计算公式）及其应用（C）4.5.3 横波探伤时缺陷定位（方法、计算公式）及其应用（C）4.5.4 横波周向探测圆柱曲面时缺陷定位及其应用⑴外圆周向探测时缺陷定位（方法、计算公式）及其应用（B）⑵内壁周向探测时缺陷定位（方法、计算公式）及其应用（B）⑶外圆周向探测时最大探测壁厚的计算与应用（A）⑷外圆周向探测时声程修正系数μ和跨距修正系数m计算和应用（A）4.6 缺陷大小的测定4.6.1 当量法⑴当量试块比较法（方法、要求与应用）（C）⑵当量计算法（当X≥3N时）：应用原理、计算方法与应用（C）⑶当量A VG曲线法（应用原理、计算方法与应用）（B）4.6.2 测长法⑴相对灵敏度测长法（应用原则、方法与要求）（B）⑵绝对灵敏度测长法（应用原则、方法与要求）（B）⑶端点峰值法（应用原则、方法与要求）（B）4.6.3 底波高度法（应用原则、方法与要求）（B）4.7 缺陷自身高度的测定4.7.1 表面波波高法（A）4.7.2 表面波时延法（A）4.7.3 端部回波峰值法（A）4.7.4 横波端角反射法（A）4.7.5 横波串列式双探头法（A）4.7.6 相对灵敏度法（10d B法）（A）4.7.7 散射波法（衍射法）（A）4.8 影响缺陷定位、定量的主要因素4.8.1 影响缺陷定位的主要因素⑴仪器的影响（仪器水平线性及水平刻度的精度）（B）⑵探头的影响（声束偏离、指向性、双峰、斜楔磨损）（B）⑶工件的影响（表面粗糙度、材质、表面形状、边界、工件温度及缺陷情况）（B）⑷操作人员的影响（扫描速度比例调整、入射点及K值调整、定位方法不当）（B）4.8.2 影响缺陷定量的主要因素⑴仪器及探头性能的影响（频率、衰减器及垂直线性、探头形式和晶片尺寸、K值）（B）⑵耦合与衰减的影响①耦合的影响因素：耦合剂声阻抗及耦合层厚度、探头施加压力、工件表面耦合状态等影响因素（B）②衰减的影响因素：介质晶粒度，工件尺寸（B）⑶工件几何形状和尺寸的影响因素：工件底面形状、粗糙度及与探测面的平行度，工件尺寸的大小及其侧壁附近的缺陷情况（B）⑷缺陷的影响因素：缺陷性质、形状及其表面粗糙度、位置及其与超声波入射方位，缺陷回波的指向性（B）4.9 缺陷性质分析4.9.1 根据加工（焊接、铸造和锻造等）工艺分析缺陷性质（B）4.9.2 根据缺陷特征（平面形、点状或密集形）分析缺陷性质（B）4.9.3 根据缺陷波形（静态波形、动态波形）分析缺陷性质（B）4.9.4 根据底波（底波消失、缺陷波与底波共存、底波明显下降而缺陷波互相彼连高低不等、底波和缺陷波都很低）分析缺陷性质（B）4.10 非缺陷回波的判别4.10.1 “迟到波”定义、形成原理、特征、识别方法及应用（B）4.10.2 “61。
超声波检测用公式
超声波检测实用公式一、一般公式1、不同反射体的回波声压比（1）平底孔对大平底：Δ=20lg（πX BΦ2/2λX f2）dB用途：用于以底波方式调整超声波探伤起始灵敏度和评定缺陷的当量大小，式中X B为大平底声程（探测到工件地面的工件厚度）；X f为平底孔声程（即缺陷的埋藏深度）；Φ为预定探测灵敏度所规定的平底孔直径；λ为所用频率超声波在被检工件材料中的波长。
在按照大声程调整探伤起始灵敏度时，设X B=X f，则公式简化为Δ=20lg（πΦ2/2λX f），即将直探头良好地耦合在探测面上，调整仪器的增益，使工件地面的第一次回波高度达到满屏上的某一刻度（例如50%）,然后按公式计算所得到的dB值提高仪器的定量增益。
在探伤过程中发现有缺陷回波高度超过预定的满屏刻度（例如上面预定的50%）时，可根据将该回波高度降到预定刻度所需的ΔdB值和缺陷埋藏深度，按照公式计算出Φ当量值，即缺陷的当量值。
（2）球孔对大平底：Δ=20lg（dX B/2X f2）dB d为当量球孔直径，用途同上。
（3）长横孔对大平底：Δ=10lg（ψX B2/2X f3）dB ψ为当量长横孔直径，用途同上。
（4）短横孔对大平底：Δ=10lg（L2ψX B2/λX f4）dB ψ为当量短横孔直径，L为短横孔长度，用途同上。
（5）平底孔对平底孔：Δ=40lg（Φ1X2/Φ2X1）dB 两个不同声程、不同直径的平底孔回波声压比，用分贝表示。
用途：在探伤中，一般把调整探伤起始灵敏度时设定的一定声程X2和一定直径的平底孔Φ2作为基准，通过缺陷回波与基准回波高度分贝差（由探伤仪定）和缺陷埋藏深度X1计算出缺陷的平底孔当量大小Φ1，注意Δ的正负值所代表的意义是不同的—在以上规定时负值表示缺陷比基准平底孔当量小，反之则大。
（6）球孔对球孔：Δ=20lg（d1X22/d2X12）dB 两个不同直径不同声程的球孔回波声压比，用途同上。
（7）长横孔对长横孔：Δ=10lg（ψ1X23/ψ2X13）dB 两个不同声程不同直径的长横孔回波声压比，用途同上。
规则反射体声压公式
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)(2kh t j a e hds cu jk dp -=ωπρ112ρπρd ds = h 221x +=ρ声源在Q 点产生的总声压⎰-=akht j a d he ecu jk Q P 0113)(22)(ρπρπρω ⎰-=Rxjkh t j a e e cu jk ωρ=][jkx jkR t j a e e e cu ----ωρ][2)(2)(2R x jk R x jk x R jkt j a e e ee cu ---+---=ωρ]2/2/)([)](2sin[2πωρ++--=x R k t j a e x R kcu此处用到公式je e j j 2sin θθθ--=Q 点处的声压振幅P 可表示为)](sin[2220x x R P P s -+=λπ式中s R ——波源半径x ——轴线上Q 点至波源的距离 P 0——a cu ρ(1)近场区 a)当2)12()4(2πλπ+=-+n x x D s 时02P P =声压具有最大值,此声压为2倍平面波声压。
此位置)12(4)12(222++-=n n D x s n λλn=0,1,2 (2)λλ-s D 有(n+1)个值 其中n=0为距声源最远一个最大值，此时λλλ44222s s D D N ≈-=（条件λ>>s D ） 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πλπn x x D s=-+)4(2时,该位置声压振幅P=0。
以'x 表示声压最小值点的位置,则λλn n D x s n8)2(22'-=，得n<[λ2s D ]取整，最小值个数为1、2、3…[λ2s D ]其中n=1相应于最远的最小值点，且此点的值为282822'1ND D x s s =≈-=λλλ c)N 内其他各点的声压介于0与02P 之间。
超声波检测基础知识
超声波检测基础知识超声场特征值与规则反射体的回波声压一、超声场的特征值充满超声波的空间或超声振动所涉及的部分介质，叫超声场。
超声场具有一定的空间大小和形状，只有当缺陷位于超声场内时，才有可能被发现。
描述超声场的特征值（即物理量）主要有声压、声强和声阻抗。
1.1、声压P超声场中某一点在某一时刻所具有的压强P1与没有超声波存在时的静态压强P0之差，称为该点的声压，用P 表示。
01P P P -=声压单位：帕斯卡（Pa ）、微帕斯卡（μPa ）超声检测仪器显示的信号幅度值的本质就是声压P ，示波屏上的波高与声压成正比。
在超声检测中，就缺陷而论，声压值反映缺陷的大小。
1.2、声阻抗Z超声场中任一点的声压与该处质点振动速度之比成为声阻抗，常用Z 表示。
c u cu u P Z ρρ===//声阻抗的单位为克/厘米2·秒（g/cm 2·s ）或千克/米2·秒（kg/m 2·s ）1.3声强I单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强，常用I 表示。
单位是瓦/厘米2（W/cm2）或焦耳/厘米2·秒（J/cm2·s ）。
ZP Zu I 222121== 1.4分贝在生产和科学实验中，所遇到的声强数量级往往相差悬殊，如引起听觉的声强范围为10-16~10-4 W/cm2，最大值与最小值相差12个数量级。
显然采用绝对值来度量是不方便的，但如果对其比值（相对量）取对数来比较计算则可大大简化运算。
分贝就是两个同量纲的量之比取对数后的单位。
通常规定引起听觉的最弱声强为I1=10-16 W/cm2作为声强的标准，另一声强I2与标准声强I1之比的常用对数成为声强级，单位为贝（尔）（B ）。
Δ=lg(I2/I1) (B)实际应用贝尔太大，故长取其1/10即分贝（dB ）来作单位：Δ=10lg(I2/I1)=20lg(P2/P1) （dB ）通常说某处的噪声为多少多少分贝，就是以10-16 W/cm2为标准利用上式计算得到的。
规则反射体回波声压
10lg
f1
l2 f2
x2 f 1 x14 DF 2
3.4.3 短横孔回波声压
• ① 当短横孔的直径和长度一定时，距离增加一倍， 回波下降12dB,与平底孔的变化规律相同。 • ② 当短横孔直径、距离一定，长度增一倍，回波 增6dB。 • ③当短横孔距离、长度一定，直径增一倍，回波 增3dB。
D 8.68 e d
2x
• • • • •
式中：x—探测距离（x>3N）; Ff —平底孔面积=πDf2/4; d—空心圆柱体内径； lf —短横孔长度； D—空心圆柱体外径； Df—平底孔、长横孔、短横孔、球孔直径； α—介质单程衰减系数=dB/mm
任意两个距离、直径不同的长横孔回波分贝差为：
12 20 lg Pf 1 Pf 2 10 lg
3 Df1X 2
D f 2 X 13
3.4.2 长横孔回波声压
• ①当Df1=Df2,x2=2x1时，同直径、距离增一倍，回 波降9dB。 • ②当x1=x2,Df2=2Df1时，同距离、直径增一倍，回 波升3dB。
3.4.5 大平底回波声压
五、大平底面回波声压 x≥3N时，超声波在与波束轴线垂直、表面光洁的大 平底面上的反射就是球面波在平面上的反射，其回波声 压PB为：
P0 FS PB 2x
12
x2 20 lg x1
大平底距离增加一倍时，其回波声压下降6dB 。
1、实心圆柱体
3.4.6圆柱曲底面回波声压
任意两个直径、距离不同的球孔的回波分贝差为：
2 D f 1 x2 12 20lg 20lg Pf 2 D f 2 x12
Pf 1
3.4.4 球孔回波声压
• ① 当Df1=Df2,x2=2x1时， Δ12=40lgx2/x1=40lg2=12dB • 说明直径一定，距离增一倍，回波降12dB 。 • ② 当x2=x1, Df1=2Df2 时， • Δ12=20lgDf1/Df2=20lg2 =6dB • 说明球孔距离不变，直径增一倍，回波增6dB 。
《超声波探伤实验指导》(校本教材)
《超声波探伤》实验指导书实验一超声波探伤仪的使用和性能测试一、实验目的1、了解A型超声波探伤仪的简单工作原理。
2、掌握A型超声波探伤仪的使用方法。
3、掌握水平线性、垂直线性和动态范围等主要性能的测试方法。
4、掌握盲区、分辨力和灵敏度余量等综合性能的测试方法。
二、超声波探伤仪的工作原理目前在实际探伤中，广泛应用的是A型脉冲反射式超声波探伤仪。
这种仪器荧光屏横坐标表示超声波在工件中传播时间(或传播距离)，纵坐标表示反射回波波高。
根据荧光屏上缺陷波的位置和高度可以判定缺陷的位置和大小。
A型脉冲超声波探伤仪的型号规格较多，线路各异，但它们的基本电路大体相同。
下面以CTS-22型探伤仪为例说明A型脉冲超声波探伤仪的基本电路。
CTS-22型超声探伤仪主要由同步电路、发射电路、接收放大电路、时基电路(又称扫描电路)、显示电路和电源电路组成，如图1.1所示。
各电路的主要功能如下：(1)同步电路：产生一系列同步脉冲信号，用以控制整台仪器各电路按统一步调进行工作(2)发射电路：在同步脉冲信号触发下，产生高频电脉冲，用以激励探头发射超声波。
(3)接收放大电路：将探头接收到的信号放大检波后加于示波管垂直偏转板上。
(4)时基电路：在同步脉冲信号触发下，产生锯齿波加于示波管水平偏转板上形成时基线。
(5)显示电路：显示时基线与探伤波形。
(6)电源电路：供给仪器各部分所需要的电压。
在实际探伤过程中，各电路按统一步调协调工作。
当电路接通以后，同步电路产生同步脉冲信号，同时触发发射电路和时基电路。
发射电路被触发以后产生高频电脉冲作用于探头，通过探头中压电晶片的逆压电效应将电信号转换为声信号发射超声波。
超声波在传播过程中遇到异质界面(缺陷或底面)反射回来被探头接收，通过探头的正压电效压将声信号转换为电信号送至放大电路被放大检波，然后加到示波管垂直偏转板上，形成重迭的缺陷波F和底波B。
时基电路被触发以后产生锯齿波，加到示波管水平偏转板上，形成一条时基扫描亮线，并将缺陷波F和底波B按时间展开，从而获得波形。
超声波探伤培训教程
培训教材之理论基础第一章无损检测概述无损检测包括射线检测RT、超声检测UT、磁粉检测MT、渗透检测PT和涡流检测ET等五种检测方法.主要应用于金属材料制造的机械、器件等的原材料、零部件和焊缝,也可用于玻璃等其它制品.射线检测适用于碳素钢、低合金钢、铝及铝合金、钛及钛合金材料制机械、器件等的焊缝及钢管对接环缝.射线对人体不利,应尽量避免射线的直接照射和散射线的影响.超声检测系指用A型脉冲反射超声波探伤仪检测缺陷,适用于金属制品原材料、零部件和焊缝的超声检测以及超声测厚.磁粉检测适用于铁磁性材料制品及其零部件表面、近表面缺陷的检测,包括干磁粉、湿磁粉、荧光和非荧光磁粉检测方法.渗透检测适用于金属制品及其零部件表面开口缺陷的检测,包括荧光和着色渗透检测.涡流检测适用于管材检测,如圆形无缝钢管及焊接钢管、铝及铝合金拉薄壁管等.磁粉、渗透和涡流统称为表面检测.第二章超声波探伤的物理基础第一节基本知识超声波是一种机械波,机械振动与波动是超声波探伤的物理基础.物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动,称为机械振动.振动的传播过程,称为波动.波动分为机械波和电磁波两大类.机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程.超声波就是一种机械波.机械波主要参数有波长、频率和波速.波长：同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离称为波长,波源或介质中任意一质点完成一次全振动,波正好前进一个波长的距离,常用单位为米m；频率f：波动过程中,任一给定点在1秒钟内所通过的完整波的个数称为频率 ,常用单位为赫兹Hz；波速C：波动中,波在单位时间内所传播的距离称为波速,常用单位为米/秒m/s.由上述定义可得：C= f ,即波长与波速成正比,与频率成反比；当频率一定时,波速愈大,波长就愈长；当波速一定时,频率愈低,波长就愈长.次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波,在同一介质中的传播速度相同.它们的区别在主要在于频率不同.频率在20~20000Hz之间的能引起人们听觉的机械波称为声波,频率低于20Hz的机械波称为次声波,频率高于20000Hz的机械波称为超声波.次声波、超声波不可闻.超声探伤所用的频率一般在~10MHz之间,对钢等金属材料的检验,常用的频率为1~5MHz.超声波波长很短,由此决定了超声波具有一些重要特性,使其能广泛用于无损探伤.1.方向性好：超声波是频率很高、波长很短的机械波,在无损探伤中使用的波长为毫米级；超声波象光波一样具有良好的方向性,可以定向发射,易于在被检材料中发现缺陷.2.能量高：由于能量声强与频率平方成正比,因此超声波的能量远大于一般声波的能量.3.能在界面上产生反射、折射和波型转换：超声波具有几何声学的上一些特点,如在介质中直线传播,遇界面产生反射、折射和波型转换等.4.穿透能力强：超声波在大多数介质中传播时,传播能量损失小,传播距离大,穿透能力强,在一些金属材料中其穿透能力可达数米.第二节波的类型及波速测量一．波的类型根据波动传播时介质质点的振动方向相对于波的传播方向的不同,可将波动分为纵波、横波、表面波和板波等.1.纵波L介质中质点的振动方向与波的传播方向互相平行的波,称为纵波,用L表示.当介质质点受到交变拉压应力作用时,质点之间产生相应的伸缩形变,从而形成纵波；凡能承受拉伸或压缩应力的介质都能传播纵波.固体介质能承受位伸或压缩应力；液体和气体虽不能承受拉伸应力,但能承受压应力产生容积变化.因此固体、液体和气体都能传播纵波.钢中纵波声速一般为5960m/s.纵波一般应用于钢板、锻件探伤.2.横波ST介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波,称为横波,用S或T表示.当介质质点受到交变的剪切应力作用时,产生剪切形变,从而形成横波；只有固体介质才能承受剪切应力,液体和气体介质不能承受剪切应力,因此横波只能在固体介质中传播,不能在液体和气体介质中传播.钢中横波声速一般为3230m/s.横波一般应用于焊缝、钢管探伤.3.表面波R当介质表面受到交变应力作用时,产生沿介质表面传播的波,称为表面波,常用R表示.又称瑞利波.表面波在介质表面传播时,介质表面质点作椭圆运动,椭圆长轴垂直于波的传播方向,短轴平行于波的传播方向；椭圆运动可视为纵向振动与横向振动的合成,即纵波与横波的合成,因此表面波只能在固体介质中传播,不能在液体和气体介质中传播.表面波的能量随深度增加而迅速减弱,当传播深度超过两倍波长时,质点的振幅就已经很小了,因此,一般认为表面波探伤只能发现距工件表面两倍波长深度内的缺陷.表面波一般应用于钢管探伤.4.板波在板厚与波长相当的薄板中传播的波,称为板波.根据质点的振动方向不同可将板波分为SH波和兰姆波.板波一般应用于薄板、薄壁钢管探伤.二．超声波声速测量对探伤人员来说,用探伤仪测量声速是最简便的,用这种方法测声速,可用单探头反射法或双探头穿透法；可用于测纵波声速和横波声速.1.反射法测纵波声速声速按下式计算：声速 C=2d/T1-t；t = 2T1– T2式中 d ------ 工件厚度；t ------ 由探头晶片至工件表面传输时间；T1 ------ 由探头晶片至工件底一次波传输时间；T2 ------ 由探头晶片至工件底二次波传输时间；2.穿透法测纵波声速声速按下式计算：声速 C=d/T1-t； t = 2T1– T2式中 d ------ 工件厚度；t ------ 由探头晶片至工件表面传输时间；T1 ------ 由探头晶片至工件底一次波传输时间；T2 ------ 由探头晶片至工件底二次波传输时间；3.反射法测横波声速用半圆弧测横波声速,按下式计算：声速 C=2d/T1-t；t = 2T1– T2式中 d ------ 半圆半径长度；t ------ 由探头晶片至半圆弧探测面传输时间；T 1 ------ 由探头晶片至圆弧面一次波传输时间； T 2 ------ 由探头晶片至圆弧面二次波传输时间；第三节波的若干概念一．波的迭加与干涉1. 波的迭加原理当几列波在同一介质中传播时,如果在空间某处相遇,则相遇处质点的振动是各列波引起振动的合成,在任意时刻该质点的位移是各列波引起的位移的矢量和.几列波相遇后仍保持自己原有的频率、波长、振动方向等特性并按原来的传播方向继续前进,好象在各自的途中没有遇到其他波一样,这就是波的迭加原理,又称波的独立性原理.波的迭加现象可以从许多事实观察到,如两石子落水,可以看到两个石子入水处为中心的圆形水波的迭加情况和相遇后的传播情况.又如乐队合奏或几个人谈话,人们可以分辨出各种乐器或各人的声音,这些都可以说明波传播的独立性. 2. 波的干涉两列频率相同,振动方向相同,位相相同或位相差恒定的波相遇时,介质中某些地方的振动互相加强,而另一些地方的振动互相减弱或完全抵消的现象叫做波的干涉现象.波的迭加原理是波的干涉现象的基础,波的干涉是波动的重要特征.在超声波探伤中,由于波的干涉,使超声波源附近出现声压极大极小值.二．惠更斯原理和波的衍射1.惠更斯原理如前所述,波动是振动状态的传播,如果介质是连续的,那么介质中任何质点的振动都将引起邻近质点的振动,邻近质点的振动又会引起较远质点的振动,因此波动中任何质点都可以看作是新的波源.据此惠更斯提出了着名的惠更斯原理：介质中波动传播到的各点都可以看作是发射子波的波源,在其后任意时刻这些子波的包迹就决定新的波阵面.2.波的衍射绕射波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物时,能绕过障碍物边缘改变方向继续前进的现象,称为波的衍射或波的绕射.如右图,超声波波长为在介质中传播时,遇到缺陷AB 其尺寸为D,据惠更斯原理,缺陷边缘可以看作是发射子波的波源,使波的传播改变,从而使缺陷背后的声影缩小,反射波降低.当D<<时,波的绕射强,反射弱,缺陷回波很低,容易漏检；当D>>时,反射强,绕射弱,声波几乎全反射.波的绕射对探伤即有利又不利.由于波的绕射,使超声波产生晶料绕射顺利地在介质中传播,这对探伤有利；但同时由于波的绕射,使一些小缺陷回波显着下降,以致造成漏检,这对探伤不利.一般超声波探伤灵敏度约为/2.三．超声场的特征值充满超声波的空间或超声振动所波及的部分介质,叫超声场；超声场具有一定的空间大小和形状,只有当缺陷位于超声场内时,才有可能被发现.描述超声场的特征植即物理量主要有声压、声强和声阻抗.1.声压P超声场中某一点在某一时刻所具有的压强P1与没有超声波存在时的静态压强P0之差,称为该点的声压,用P表示P = P1 - P0.声压幅值 p = cu = c2fA其中----介质的密度;c----波速;u----质点的振动速度；A----声压最大幅值；f----频率.超声场中某一点的声压的幅值与介质的密度、波速和频率成正比.在超声波探伤仪上,屏幕上显示的波高与声压成正比.2.声阻抗Z超声场中任一点的声压p与该处质点振动速度u之比称为声阻抗,常用Z表示.Z = p / u = cu / u = c由上式可知,声阻抗的大小等于介质的密度与波速的乘积.由u = P/Z可知,在同一声压下,Z增加,质点的振动速度下降.因此声阻抗Z可理解为介质对质点振动的阻碍作用.超声波在两种介质组成的界面上的反射和透射情况与两种介质的声阻抗密切相关.3.声强I单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强,常用I表示.I = Z u2/2 = P2/2Z当超声波传播到介质中某处时,该处原来静止不动的质点开始振动,因而具有动能；同时该处介质产生弹性变形,因而也具有弹性位能；声能为两者之和.声波的声强与频率平方成正比,而超声波的频率远大于可闻声波.因此超声波的声强也远大于可闻声波的声强.这是超声波能用于探伤的重要原因.在同一介质中,超声波的声强与声压的平方成正比.四．分贝的概念与应用1.概念由于在生产和科学实验中,所遇到的声强数量级往往相差悬殊,如引起听觉的声强范围为10- 16 ~ 10– 4 瓦/厘米2,最大值与最小值相差12个数量级.显然采用绝对量来度量是不方便的,但如果对其比值相对量取对数来比较计算则可大简化运算.分贝就是两个同量纲的量之比取对数后的单位.通常规定引起听觉的最弱声强为I1 = 10 –16 瓦/厘米2作为声强的标准,另一声强I2与标准声强I1之比的常用对数称为声强级,单位是贝尔BeL.实际应用时贝尔太大,故常取1/10贝尔即分贝dB来作单位.如取自然对数,则单位为奈培NP = lg I2/I1 Bel=10 lg I2/I1 = 20 lg P2/P1 dB在超声波探伤中,当超声波探伤仪的垂直线性较好时,仪器屏幕上的波高与声压成正比.这时有= 20 lg P2/P1 = 20 lgH2/H1 dB这时声压基准P1或波高基准H1可以任意选取.2.应用分贝用于表示两个相差很大的量之比显得很方便,在声学和电学中都得到广泛的应用,特别是在超声波探伤中应用更为广泛.例如屏上两波高的比较就常常用dB表示.例如,屏上一波高为80％,另一波高为20％,则前者比后者高= 20 lgH2/H1 = 20 lg80/20 = 12 dB用分贝值表示回波幅度的相互关系,不仅可以简化运算,而且在确定基准波高以后,可直接用仪器的增益值数字机或衰减值模拟机来表示缺陷波相对波高.第四节波的反射、透射及衰减超声波从一种介质传播到另一种介质时,在两种介质的分界面上,一部分能量反射回原介质内,称为反射波；另一部分能量透过界面在另一种介质内传播,称为透射波.在界面上声能声压、声强的分配和传播方向的变化都将遵循一定的规律.一．单一界面的反射和透射声能的变化与两种介质的声阻抗密切相关,设波从介质1声阻抗Z1入射到介质2声阻抗Z2,有以下几种情况：1.Z2 > Z1声压反射率小于透射率.如水/钢界面.2.Z1> Z2声压反射率大于透射率.如钢/水界面.声强反射率及透射率只与Z1、Z2的数值有关,与从哪种介质入射无关.3.Z1>> Z2声压声强几乎全反射,透射率趋于0.如钢/空气界面.4.Z1 Z2此时几乎全透射,无反射.因此在焊缝探伤中,若母材与填充金属结合面没有任何缺陷,是不会产生界面回波的.二．薄层界面的反射和透射此情况主要对探头保护膜设计具有指导意义.当超声波依次从三种介质Z1、 Z2 、Z3如晶片—保护膜—工件中穿过,则当薄层厚度等于半波长的整数倍时,通过薄层的声强透射与薄层的性质无关,即好象不存在薄层一样；当薄层厚度等于四分之一波长的奇数倍且薄层声阻抗为其两侧介质声阻抗几何平均值 Z2 = Z2 Z31/2 时,超声波全透射三．波型转换和反射、折射定律当超声波倾斜入射到界面时,除产生同种类型的反射和折射波外,还会产生不同类型的反射和折射波,这种现象称为波型转换.1.纵波斜入射2.横波入射四．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.引起超声波衰减的主要原因是波束扩散、晶粒散射和介质吸收1.扩散衰减超声波在传播过程中,由于波束的扩散,使超声波的能量随距离增加面逐渐减弱的现象叫做扩散衰减.超声波的扩散衰减仅取决于波阵面的形状,与介质的性质无关.2.散射衰减超声波在介质中传播时,遇到声阻抗不同的界面产生散乱反射引起衰减的现象,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.吸收衰减超声波在介质中传播时,由于介质中质点间内磨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通常所说的介质衰减是指吸收衰减与散射衰减,不包括扩散衰减.第五节超声波发射声场和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,才有可能被发现一．圆盘波源辐射的纵波声场在不考虑介质衰减的条件下,当离波源较远处轴线上的声压与距离成反比,与波源面积成正比.1.近场区波源附件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.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.N = D s2 - 2/4 D s2/42.远场区波源轴线上至波源的距离x >N的区域称为远场区.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.因为距离x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,这样干涉现象可以略去不计,所以远场区不会出现声压极大极小值.3.近场区在两种介质中分布实际探伤时,有时近场区分布在两种不同的介质中,如水浸探伤,超声波先进入水,然后再进入钢中,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,则钢中剩余近场区长度N为N = D s2/4 – Lc1/c2式中c1----介质1水中波速；c2----介质2钢中波速；----介质2钢中波长.在近场区内,实际声场与理想声场存在明显区别,实际声场轴线上声压虽也存在极大极小值,但波动幅度小,极值点的数量也明显减少.二．横波声场目前常用的横波探头,是使纵波斜入射到界面上,通过波形转换来实现横波探伤的,当入射角在第一、第二临界角之间时,纵波全反射,第二介质中只有折射横波.横波声场同纵波声场一样由于波的干涉存在近场区和远场区,当x≥3N时,波束轴线上的声压与波源面积成正比,与至假想波源的距离成反比,类似纵波声场.当横波探头晶片尺寸一定时,K值增大,近场区长度将减小.三．规则反射体的回波声压在实际探伤中一般采用反射法,即根据缺陷反射回波声压的高低来评价缺陷的大小.然而工件中的缺陷形状性质各不相同,目前的探伤技术还难以确定缺陷的真实大小和形状,回波声压相同的缺陷的实际大小可能相差很大,为此特引用当量法；当量法是指在同样的探测条件下,当自然缺陷回波与某人工规则反射体回波等高时,则该人工规则反射体的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量尺寸.超声波探伤中常用的规则反射体有平底孔、长横孔、短横孔、球孔和大平底面等.回波声压公式考虑介质衰减因素：四．AVG曲线AVG曲线是描述规则反射体的距离、回波高及当量大小之间关系的曲线；A、V、G是德文距离、增益和大小的字头缩写,英文缩写为DGS.AVG曲线可用于对缺陷定量和灵敏度调整.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、当量大小之间的关系曲线,称为实用AVG 曲线.实用AVG曲线可由以下公式得到：不同距离的大平底回波dB差Δ=20lgPB1/PB2=20lgX2/X1不同距离的不同大小平底孔回波dB差Δ=20lgPf1/Pf2=40lgDf1X2/Df2X1同距离的大平底与平底孔回波dB差Δ=20lgPB/Pf=20lg2λX/πDfDf用以上公式计算绘制实用AVG曲线时,要统一灵敏度基准.第六节仪器、探头和试块超声波探伤仪、探头和试块是超声波探伤的重要设备,了解这些设备的原理、构造和作用及其主要性能的测试方法是正确选用探伤设备进行有效探伤的保证.一．超声波探伤仪1.作用超声波探伤仪的作用是产生电振荡并加于换能器探头上,激励探头发射超声波,同时将探头送回的电信号进行放大,通过一定方式显示出来,从而得到被探工件内部有无缺陷及缺陷位置和大小等信息.2.分类按缺陷显示方式分类,超声波探伤仪分为三种.A型：A型显示是一种波形显示,探伤仪的屏幕的横坐标代表声波的传播距离,纵坐标代表反射波的幅度.由反射波的位置可以确定缺陷位置,由反射波的幅度可以估算缺陷大小.B型：B型显示是一种图象显示,屏幕的横坐标代表探头的扫查轨迹,纵坐标代表声波的传播距离,因而可直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度.C型：C型显示也是一种图象显示,屏幕的横坐标和纵坐标都代表探头在工件表面的位置,探头接收信号幅度以光点辉度表示,因而当探头在工件表面移动时,屏上显示出被探工件内部缺陷的平面图象,但不能显示缺陷的深度.目前,探伤中广泛使用的超声波探伤仪都是A型显示脉冲反射式探伤仪.型脉冲反射式模拟超声波探伤仪的一般原理二．探头超声波的发射和接收是通过探头来实现的.下面介绍探头的工作原理、主要性能及其及结构.1.压电效应某些晶体材料在交变拉压应作用下,产生交变电场的效应称为正压电效应.反之当晶体材料在交变电场作用下,产生伸缩变形的效应称为逆压电效应.正、逆压电效应统称为压电效应.超声波探头中的压电晶片具有压电效应,当高频电脉冲激励压电晶片时,发生逆压电效应,将电能转换为声能机械能,探头发射超声波.当探头接收超声波时,发生正压电效应,将声能转换为电能.不难看出超声波探头在工作时实现了电能和声能的相互转换,因此常把探头叫做换能器.2.探头的种类和结构直探头用于发射和接收纵波,主要用于探测与探测面平行的缺陷,如板材、锻件探伤等.斜探头可分为纵波斜探头、横波斜探头和表面波斜探头,常用的是横波斜探头.横波斜探头主要用于探测与探测面垂直或成一定角度的缺陷,如焊缝、汽轮机叶轮等.当斜探头的入射角大于或等于第二临界角时,在工件中产生表面波,表面波探头用于探测表面或近表面缺陷.双晶探头有两块压电晶片,一块用于发射超声波,另一块用于接收超声波.根据入射角不同,分为双晶纵波探头和双晶横波探头.双晶探头具有以下优点：（1）灵敏度高（2）杂波少盲区小（3）工件中近场区长度小（4）探测范围可调双晶探头主要用于探伤近表面缺陷.聚焦探头种类较多.3.探头型号探头型号的组成项目及排列顺序如下：基本频率-晶片材料-晶片尺寸-探头种类-特征三．试块按一定用途设计制作的具有简单几何形状人工反射体的试样,通常称为试块.试块和仪器、探头一样,是超声波探伤中的重要工具.1．试块的作用（1）确定探伤灵敏度超声波探伤灵敏度太高或太低都不好,太高杂波多,判伤困难,太低会引起漏检.因此在超声波探伤前,常用试块上某一特定的人工反射体来调整探伤灵敏度.（2）测试探头的性能超声波探伤仪和探头的一些重要性能,如放大线性、水平线性、动态范围、灵敏度余量、分辨力、盲区、探头的入射点、K值等都是利用试块来测试的.（3）调整扫描速度利用试块可以调整仪器屏幕上水平刻度值与实际声程之间的比例关系,即扫描速度,以便对缺陷进行定位.（4）评判缺陷的大小利用某些试块绘出的距离-波幅-当量曲线即实用AVG来对缺陷定量是目前常用的定量方法之一.特别是3N以内的缺陷,采用试块比较法仍然是最有效的定量方法.此外还可利用试块来测量材料的声速、衰减性能等.。
超声波发射声场与规则反射体的回波声压
cos D Ds cos
' s
横波声场的结构——声轴线上声压
在足够远处声轴线上的声压：
KFs' P s 2 x
规律：与纵波相似。
cos 式中：F Fs ——等效声源面积 cos
' s
仿真
横波声场的结构——近场长度
假想横波声源的近场长度
Fs cos N s 2 cos
P P F / x
圆盘声源辐射的纵波声场 ——横截面声压分布
近场：存在中心轴线上声压为0的截面，轴线上声压 为0，偏离中心声压较高； 远场：轴线上声压最高，偏离中心声压逐渐降低。同 一截面声压分布对称。
圆盘声源辐射的纵波声场 ——横截面声压分布
仿真
圆盘声源辐射的纵波声场 ——横截面声压分布
矩形声源辐射的纵波声场 ——声轴线上声压分布
声压计算与声场仿真
矩形声源辐射的纵波声场 ——指向性
在YOZ 平面内指向性系数： P (r , 0, ) sin( Kb sin ) Dr P(r , 0, 0) Kb sin 在YOZ 平面内的半扩散角为： 2b 2b 同样，在XOZ 平面内的半扩散角为：
超声波发射声场与 规则反射体的回波声压
Chapter 3 Sound Field & Echo Sound Pressure
目 录 Contents
纵波发射声场 横波发射声场
聚焦声源发射声场
规则反射体的回波声压 AVG曲线
纵波发射声场 longitudinal Wave Sound Field
与声压幅值有关的半扩散角 dB 20 lg 6dB半扩散角： 20 lg 2 J1 (kRs sin ) ＝ 6dB kRs sin 2 J (kRs sin ) P(r , ) 20 lg 1 P (r , 0) kRs sin
超声波检测：第2部分 超声场
大平底
大平底回波声压：PB
P0
Fs
2 x
规律：
声压与声程成反比、
与频率成正比。
第二部分 超声场
2.1 圆盘形波源声束轴线上的声压分布
2.2 近场区 N
近场区：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，应尽量避免在近场区 对缺陷进行定量。
近场区长度N：最后一个声压极大值到波源的距离 注：最后一个声压为0的距离是0.5N
N=Fs/πλ= Ds2/4λ
x2 x1
2
40lg
D1 D2
x2 x1
平底孔孔径差1倍：回波声压差 12 dB
平底孔声程差1倍：回波声压差 12 dB
平底孔——平底孔与大平底比较
大平底和平底孔的回波声压分别为：
PB
P0
Fs
2 xB
Pf
P0
Fs Ff
2xf 2
两回波的声压（高度）差为：
dB
20 lgPf PB Nhomakorabea20
Ff ——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
声程和孔径不同的两平底孔回波声压：
Pf1
P0
Fs F1
2 x12
Pf2
P0
Fs F2
2 x22
二者的回波声压（高度）差：
无损检测学习--第二章
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)(2kh t j a ehds cu jk dp -=ωπρ 112ρπρd ds = h 221x +=ρ声源在Q 点产生的总声压⎰-=akht j a d he ecu jk Q P 0113)(22)(ρπρπρω ⎰-=Rxjkh t j a e e cu jk ωρ=][jkx jkR t j a e e e cu ----ωρ][2)(2)(2R x jk R x jk x R jkt j a e e ee cu ---+---=ωρ]2/2/)([)](2sin[2πωρ++--=x R k t j a e x R kcu此处用到公式je e j j 2sin θθθ--=Q 点处的声压振幅P 可表示为)](sin[2220x x R P P s -+=λπ式中s R ——波源半径x ——轴线上Q 点至波源的距离 P 0——a cu ρ(1)近场区 a)当2)12()4(2πλπ+=-+n x x D s 时02P P =声压具有最大值,此声压为2倍平面波声压。
此位置)12(4)12(222++-=n n D x s n λλn=0,1,2 (2)λλ-s D 有(n+1)个值 其中n=0为距声源最远一个最大值，此时λλλ44222s s D D N ≈-=（条件λ>>s D ） 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πλπn x x D s=-+)4(2时,该位置声压振幅P=0。
以'x 表示声压最小值点的位置,则λλn n D x s n8)2(22'-=，得n<[λ2s D ]取整，最小值个数为1、2、3…[λ2s D ]其中n=1相应于最远的最小值点，且此点的值为282822'1ND D x s s =≈-=λλλ c)N 内其他各点的声压介于0与02P 之间。
第2章 超声波发射声场与规则反射体的回波声压汇总
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 P o——波源的起始声压；d s——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(2.1)式中 R s—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。
当χ≥2R，时，根据牛顿二项式将(2.1)式简化为(2.2)根据sinθ≈θ(θ很小时)上式可简化为(2.3)式中 Fs——波源面积，(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、……<(D s-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。
第二章 超声波发射声场与规则反射体的回波声压
第二章超声波发射声场与规则反射体的回波声压By adan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 P o——波源的起始声压；d s——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(2.1)式中 R s—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。
当χ≥2R，时，根据牛顿二项式将(2.1)式简化为(2.2)根据sinθ≈θ(θ很小时)上式可简化为(2.3)式中 Fs——波源面积，(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、……<(D s-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。
规则反射体回波声压
面波在凹柱曲底面上的反射
面波在凸柱面上的反射
射波发散，故外圆探伤空心 回波声压低于同距离大平底
面波在凹柱面上的反射
射波聚焦，故内孔探伤空心 回波声压大于同距离大平底
与波束轴线垂直
面波在平面上的反射
常见规则反射体回波声压比较
公式 各参数的物理意义
Pf-距波源X处回波声压 P0-波源起始声压
成立的条件
⑴波源 ⑵频率
有关因素
面积 波长
平底孔 Pf=P0FsFf/λ 2X2
Fs-波源面积 Ff-缺陷面积 λ -波长 X-平底孔至波源距离 Pf-距波源X处回波声压 P0-波源起始声压
⑶距离缺陷的距离 X≥3N 缺陷为面积较小的 ⑷平底孔可作为新的圆盘源 圆片形 ⑸平底孔直径一定，距离增加一倍，回 波下降12dB ⑹平底孔距离一定，直径增加一倍，回 波升高12dB ⑴长横孔直径较小 ⑵长度大于波束截面尺寸 ⑶类似于球面波在柱面镜上的反射 X≥3N 长横孔直径较小 ⑷长横孔直径一定，距离增加一倍，回 波下降9dB ⑸长横孔距离一定，直径增加一倍，回 波升高3dB ⑴短横孔长度明显小于波束截面尺寸 ⑵短横孔直径和长度一定，距离增加一 倍，回波下降12dB X≥3N 短横孔直径较小 ⑶直径和距离一定，长度增加一倍。回 波上升6dB ⑷长度和距离一定，直径增加一倍，回 波升高3dB ⑴球孔足够小 ⑵类似于球面波在球面镜上的反射 ⑶球孔直径一定距离增加一倍，回波下 降12dB ⑷球孔距离不变直径增加一倍，回波上 升6dB ⑴回波声压与大平底回波声压相同 ⑵类似于球面波在凹柱曲底面上的反射 径向探伤X≥3N的实心圆柱 体
离一定，直径增加一倍，回
径较小
波束截面尺寸
面波在柱面镜上的反射
径一定，距离增加一倍，回
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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)(2kh t j a e hds cu jk dp -=ωπρ112ρπρd ds = h 221x +=ρ声源在Q 点产生的总声压⎰-=akht j a d he ecu jk Q P 0113)(22)(ρπρπρω ⎰-=Rxjkh t j a e e cu jk ωρ=][jkx jkR t j a e e e cu ----ωρ][2)(2)(2R x jk R x jk x R jkt j a e e ee cu ---+---=ωρ]2/2/)([)](2sin[2πωρ++--=x R k t j a e x R kcu此处用到公式je e j j 2sin θθθ--=Q 点处的声压振幅P 可表示为)](sin[2220x x R P P s -+=λπ式中s R ——波源半径x ——轴线上Q 点至波源的距离 P 0——a cu ρ(1)近场区 a)当2)12()4(2πλπ+=-+n x x D s 时02P P =声压具有最大值,此声压为2倍平面波声压。
此位置)12(4)12(222++-=n n D x s n λλn=0,1,2 (2)λλ-s D 有(n+1)个值 其中n=0为距声源最远一个最大值，此时λλλ44222s s D D N ≈-=（条件λ>>s D ） 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πλπn x x D s=-+)4(2时,该位置声压振幅P=0。
以'x 表示声压最小值点的位置,则λλn n D x s n8)2(22'-=，得n<[λ2s D ]取整，最小值个数为1、2、3…[λ2s D ]其中n=1相应于最远的最小值点，且此点的值为282822'1ND D x s s =≈-=λλλ c)N 内其他各点的声压介于0与02P 之间。
d)当x>N 时,声轴线上的声压从02P 单调下降。
e)当x>>s R 时,)](sin[2220x x R P P s -+=λπ)211(]})(1[sin{220z z x x R x P s +≈+-+= λπ]})21([sin{2220x xR x P s -+≈λπ])2(611[22)2(sin 2222020λπλπλπx R x R P x R P s s s -≈=xF P x R x F P ss s λλπλ0220])2(611[≈-= 相对误差为2222224)2(61xN x R s πλπ= λ2s R N = ,故当x=N 时,误差,411.024)2(6122===∆ππ x=1.67N,046.0,3,15.0=∆==∆N x f) 声轴线上远场区xF P P sλ0=即远场中,声轴线上声压与距离成反比。
式中42s s D F π=远场中任意一点M(r,θ)处的声压为：),(/)0,(]sin )sin (2[),(10θθθλθr P r P kR kR J r F P r P s s s ==]sin )sin (2[)(1θθθs s kR kR J D = 称为圆盘源远场的方向性函数。
)(θD 的特性是：a)VV J )(21当V 0→即0→θ时(即声轴线处) D(θ)=1,为最大值,即声轴线上声压最高，b)s kR <1时1)(,2/)(1≈≈θD V V J ,辐射各向均匀。
(s kR <1即s R λπ2<1,为低频辐射)c)当s kR 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θsin s kR =3.83时出现第一个零值,此时相应的θ值以0θ表示：)22.1(sin )61.0(sin )83.32(sin )83.3(sin 11110ssssD R R kR λλπλθ----====当λ<<s D 时,sD λθ22.10≈(弧度)sD λ70≈(度)0θ称为第一零辐射角或半扩散角,此角度处声压振幅为零。
主声束宽度为20θ(0θ为球面角)2． 束未扩散区与扩散区220)2/(2/22.1sin s s s D b D D +=≈λθ得 N D b s 64.144.22=≈λ波束未扩散区长度为1.64倍近场长度。
例：求2.5P20直探头在钢中的N 、0θ和b(钢中纵波声速为5900m/s)N=)(4.421059004105.2204436222mm C D D l s s =⨯⨯⨯⨯==λ o s l s f D C D 26.8105.220105900707070630=⨯⨯⨯⨯===λθ b=1.64N=1.64×42.4=69.5(mm)3． 超声场截面声压分布。
二、矩形波源辐射的纵波声场1. 方向性函数φφφθφθλφθsin )sin sin(cos sin )cos sin sin(),,(0kb kb ka ka r F P r P s =声轴上声压为rF P r P sλ0)0,0,(=YOZ 平面内的半扩散角bb257)2(sin 10λλθ≈=- (度)在XOZ 平面内的半扩散角0θ为aa257)2(sin 10λλθ≈=-(度)近场长度λλ4421l l F N s ==(几何平均值) 或λ42maxl N = (经典声学公式)教材上给的公式πλπλπλabl l F N s===21 (不很妥当)三.、近场区在两种介质中的分布在均匀介质中21211121221211212221124/4/,4/c c l c c l l D D l l N N l N lN l D N ss s =====→==λλλλλ21222124c c l D c c l N N s -=-=λ2N —介质Ⅱ中(钢中)近场长度 L —水层厚度1c —介质Ⅰ中(水中)波速 2c —介质Ⅱ中(钢中)波速2λ—介质Ⅱ中(钢中)波长例：求2.5P14纵波直探头水浸探伤钢板,已知水层厚度为20mm,钢中l C =5900mm/s,水中l C =1480m/s 。
求钢中近场区长度)(7.15590014802036.2414144)(36.25.29.52122mm c c l D N mm f c s =⨯-⨯⨯=-====λλ四、实际声场与理想声场比较(1)理想声源：连续,单频波,干涉充分实际声源：脉冲,多频波,干涉不充分(2)脉冲波可分解为多频波,每个分量都有各自的近场长度和半扩散角,观察点处的总声压为各分量声压之和,即2232221.........n P P P P P ++++=近场长度内,各分量的零值点位置不同,因此实际上不存在真正的零值点。
远场区亦不存在绝对的零辐射角。
(3) 实际声源是非均匀激发,理想声源是均匀激发(活塞型)(4) 理想声场是针对液体介质而言的,而实际探伤对象是固体介质 。
第二节 横波发射声场 一、假想横波源 椭圆短轴 αβcos cos 'ss D D =1. 波束轴线上的声压(略)2. 近场长度 圆晶片:αβπλαβλαβλλcos cos cos cos 4cos cos 4422222222221s s s s s s s s F D D D N N N ====方晶片：可参照上式近似计算 第二介质中的近场长度'Nβααβπλtg tg l F l N N s s 122'cos cos -=-= s F —波源面积2s λ—介质Ⅱ中横波波长1l —入射点至波源的距离2l —入射点至假想波源的距离例1：试计算2.5MHz 、14×16㎜ 方晶片K1.0和K2.0横波探头的近场区长度N 。
（钢中C S2=3230m/s ） 解：λS2=C S2/ƒ=3.23/2.5=1.29（㎜） 7.4888.029.114.31614)(11211=⨯⨯⨯==αβπλCos Cos ab K N S （㎜）7.3768.029.114.31614)(221222=⨯⨯⨯==αβπλCos Cos ab K N S （㎜）由上计算表明，横波探头晶片尺寸一定，K 值增大，近场区长度将减小。
例2：试计算2.5MHz 、10×12㎜ 方晶片K2.0横波探头，有机玻璃中入射点至晶片的距离为12㎜，求此探头在钢中的近场区长度N '。
解：λS2=C S2/ƒ=3.23/2.5=1.29（㎜） βααβπλtg tg L Cos Cos ab N S 12-=' 1358.01268.029.114.31210=⨯-⨯⨯⨯=（㎜）3. 半扩散角αλββθβθcos 22.1sin sin 12112l s s l c D c b a =====下上在声束轴线与入射平面垂直的平面内(即与低面垂直的平面内) 晶片圆：ss ss D D 2207022.1arcsin λλθ≈= ( 晶片圆)方晶片：aas s 257222.1arcsin 220λλθ== (度)2a —晶片在a 方向边长例题：用2.5MHz 、φ12㎜ 纵波直探头探伤钢工件，钢中C L =5900m/s ，求其半扩散角。
解：λL =C L /f=5.9/2.5=2.36 (㎜)横波声场半扩散角θ0=70λL /D S =70×2.36/12=13.8°第三节 聚焦声源发射声场一、 声场的形成1.聚焦探头的种类1)液浸型条件：21c c > ,即透镜中声速大于液体中声速 F 的值为r .c c r c c /c rF 252121112=-=-=， F .r 4450=(设15002==水c c 米/秒,有机玻璃27001=c 米/秒) 2)接触型 条件：21c c >1c ：(如有机玻璃中)1c =2700米/秒 2c ：(如聚枫中)2c =2300米/秒二、聚焦声场的特点与应用 1聚焦声束轴线上的声压分布 在声程x>R,焦距F>R 的条件下，声压P 的近似公式为：)Fx ()]F x(x F B sin[P P --π=11220 式中F=焦距=)c c /(r c 211-=r ——声透镜曲率半径 x ——观察点声源的距离F /N F /R B =λ=2，R 为波源半径在焦点处x=F,上式可简化为0BP P π=（2—25）当B=10时，P=31.40P 。
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。