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 ）。

Z

P Zu I 2

22121== 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。

二、规则反射体的回波声压

实际检测中常用反射法，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。然而工件中的缺陷形状、性质各不相同，且目前的检测技术还难以确定缺陷的真实大小和形状。回波声压相同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检测条件下，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。

超声波检测中常用的规则反射体有平底孔、长横孔、短横孔、球孔和大平面等，下面分别讨论以上反射体中常见的规则反射体的回波声压。

2.1圆盘波源辐射的纵波声场

波源轴线上的声压分布：

在连续简谐纵波且不考虑介质衰减的条件下，如下图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：

)sin(0kr t r

d P d s p -=ωλ 式中 0P ——波源的起始声压，s d ——点波源的面积， λ——波长， r ——点波源至Q 点的距离；

k ——波数，λπω/2/==c k ， ω——圆频率，f πω2=，t ——时间。

根据波的叠加原理，作活塞振动的圆盘波源上各点波源在轴线上Q 点引起的声压可以线性叠加，所以对整个波源面积进行积分就可以得到波源轴线上的任意一点的声压为： )sin()(sin 2220kx t x x R P dP P s x --+==⎰⎰ωλ

π 其声压幅值为：

)(sin 2220x x R P P s -+=λ

π 式中 s R ——波源半径；

x ——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λ/32s R x ≥（即6/2/2πλπ≤x R s ）时，根据θθ≈sin （θ很小时）上式可简化为：

x

F P x R P P s S λλπ020=≈ 式中 s F ——波源面积，4/22s s D R Fs ππ==（s D 为波源直径）

上式表明，当λ/32s R x ≥时，圆盘轴线上的声压与距离成反比，与波源面积成正比。

2.2平底孔回波声压

如图所示在N x 3≥的圆盘波源轴线上存在一平底孔（圆片形）缺陷，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。根据惠更斯原理可以把平底孔当做一个新的圆盘源，其起始声压就是入射波在平底孔处的声压x F P P S x λ0=

，探头接收到的平底孔回波声压f P 为： 220x F F P x F P P f

S f

x f λλ==

式中 0P ——探头波源的起始声压；

S F ——探头波源的面积，4/2S S D F π=；

f F ——平底孔缺陷的面积，4/2f D Ff π=；

λ——波长；

x ——平底孔至波源的距离。

由上式可知，当检测条件),(λS F 一定时，平底孔缺陷的回波声压或波高与平底孔面积成正比，与距离平方成反比。任意两个距离直径不同的平底孔回波声压之比为：

22

2121222121f f D x D x Pf Pf Hf Hf == 二者回波分贝差为：

122121

12lg 40lg 20x D x D P P f f f f ==∆

（1）当21f f D D =，12x x =时：

12∆等于12dB ，这说明平底孔直径一定，距离增加一倍，其回波下降12dB 。

（2）212f f D D =，12x x =时：

12∆等于12dB ，这说明平底孔距离一定，直径增加一倍，其回波升高12dB 。

2.3大平底面回波声压

如上图所示，当N x 3≥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B P 为：

x

F P PB S λ20= 由上式可知当检测条件),(λF 一定时，大平底面的回波声压与距离成反比。两个不同距离的大平底回波分贝差为：

2

12112lg 20lg 20x x P P B B ==∆ 当122x x =时：12∆等于6dB

这说明大平底面距离增加一倍，其回波下降6dB 。