第3章超声波发射声场与反射体的回波声压00详解
无损检测超声波探伤0第3章 超声波的声场与标准反射体反射声压
矩形波源的半扩散角
φ θ00==ssiinn--11λλ//22ba==5577λλ//22ba
矩形波源的近场区
N=Fs/πλ
3.1.3 纵波声场近场区在两种介质中的分布
近场区公式N=D2/4λ适用均匀介质，不适用近场区存在两种不同介质。 水浸探伤当水层厚度较小时，近场区的计算。
横波声场中第二介质的近场区
N′=N-L=π—λF—SCS2O—CSOβ—Sα— -L1—ttaa—nnαβ—
FS 波源的面积
L1 入射点至波源的距离
β
Λs2 第二介质中的波长 L2 入射点至假想波源的距离
3.2.2.2 横波声场的半扩散角
假想声源的横波声场和纵波声场一样具有良好的指向性，但声束的对称性 与圆形波源不同。
∵ N=D2/4λ ∴ b=1.64N
例：钢纵波声速 CL=5900m/s 频率f=2.5Mhz 晶片直径D=20mm 求近场长度N、半扩散角θ0和未扩散区长度。
解： N=D2/4λ=202/[4×5900/(2.5×106)]=42.4mm θb0==17.06λ4N/≈D=6790.×5m0m.236/20≈8.3°
其变化规律与球孔的直径、距离及有关。
通过计算得知： 球孔的直径一定，距离差一倍差12dB； 距离一定，直径差一倍，差6dB。
3.4.5 大平底的回波声压
PX
如图 X≥3N远场区的大平底返回声压
大小的计算公式
PB=PX/2
P0
PB
PB—大平底返回的声压
PX—波源至X处的声压
从公式可以看出：大平底的返回声压
1.纵波斜入射时在第二介质中产生横波， 其声束不再对称，上下两个半扩散角，上 半扩散角θ上大于下半扩散角θ 下。 2.横波垂直入射时声束对称于轴线。
《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。
【超声二级取证】第3章超声发射声场与规则反射体的回波声压
/ P
2P0
sin2
B
F x
1
x F
1 x F
在焦点处，x＝F，上式可简化为：
P＝πBP0 。焦点处声压随B值增加 而升高。 (B＝R2/λf，R为波源半径)
2. 焦柱的几何尺寸 聚焦声束的焦点是一个聚焦区，呈柱形，焦柱直径与长度
的近似表示公式为：
d≈πF/2R ；
L≈πF2/R2 ；
L/ d ＝ 2F/ R
平底孔回波声压：
Pf
P0 FS F f
2 x2
2ax
e 8.68
长横孔回波声压：
Pf
P0 FS
2x
2ax
D ef 8.68 2x
短横孔回波声压：
Pf
P0FSl f
2x2
2ax
D ef 8.68
球孔回波声压：
Pf
P0 FS
x
Df 4x
2 ax
e 8.68
大平底与实心圆柱体回波声压：
PB
P0 FS
2x
3. 聚焦探头的应用
3.4 规则反射体的回波声压
• 当量法：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，则该人工规则反射体的尺寸就是此自然缺 陷的当量尺寸。
3.4.1 平底孔回波声压
超声波波束轴线垂直于平底孔，
超声波在平底孔上全反射，回波声
压为：
Pf
Px F f
x
P0 FS F f
r kbsin
D＝ p(r, ,90) sin(kbsin ) p(r,0,90) kbsin
b
arcsin
2b
57
2b
矩形晶片（两平面）辐射声压分布（数值结果）
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；
2015-4-14
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′
2015-4-14
36
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
2015-4-14
37
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
3.4规则反射体回波声压
Df
2x e 8.68
• 球孔回波声压：
•
2x P0 FS D f 8.68 Pf e x 4 x
大平底与实心圆柱体回波声压： PB P0 FS e 8.68 2 x
2x
• 空心圆柱体外圆检测回波声压： • 空心圆柱体外圆检测回波声压：
PF PB 0 S 2 x
d 8.68 e D
3.4.2 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的反 射类似球面波在柱面镜上的反射。 以a=x, P 1 /a=P0FS /λx,代入球面波在柱面上反射声压 公式，可得长横孔回波声压Pf表达式：
Df P0 Fs P0 Fs D f Px Pf 2x D f 2 x 2x 2 x
3.4.5 大平底回波声压
五、大平底面回波声压 当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
两个不同距离的大平底面回波分贝差为：
12
x2 20 lg x1
大平底距离增加一倍时，其回波声压下降6dB 。
3.4.6圆柱曲底面回波声压
d D
D d
• 考虑到介质衰减的各几何体返回声压公式： • 平底孔回波声压：Pf • 长横孔回波声压：Pf • 短横孔回波声压：Pf
P0 FS F f
2 x 2
2x e 8.68
P0 FS 2 x
Df 2x
2x e 8.68
P F lf 0 S x 2 x
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
超声波检测(第三章)
式中
FS—波源的面积； λS2—第二介质中横波波长； L1—入射点至波源的距离； L2 —入射点至假想波源的距离。
• 式中 N1 —只有介质Ⅰ时，水中近场长度； • 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； • λ1—介质Ⅰ水中波长。 • λ2—介质Ⅱ钢中波长。
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： C 5.9 2.36（mm） 钢中纵波波长 2 f 2.5
0 arcsin1.22 / DS 70 / DS
3、当θ>θ0时，|DC|<0.15,说明半扩散角以外的声压很低， 超声波的能量主要集中在半扩散角以内。2θ0以内的波束称 为主波束（或主声束），只有当缺陷位于主波束范围时， 才容易被发现。以确定的扩散角向固定的方向辐射超声波 的特性称为声束指向性。
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。
3.1 纵波声场
一、圆盘波源辐射的纵波声场 波源轴线上声压分布
Z
Q o Y X x
P
P 0 Fs x
x
3Rs2
P － 波源轴线上任意一点声压； P0 － 波源的起始声压； FS －波源面积； Rs – 波源半径 λ －波长； x －轴线上Q点至波源的距离。
Z P(r,θ) X x P(r,0)
o Y
)θ
• 波束指向性
Y
3.83 )θ0
Dc
P(r , ) P(r ,0)
• 指向性系数：DC 波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,0)之比。
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：
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。
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。
特种设备检测超声波 (3)
P0 Fs
x
3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场
上式比表，明与，波当源面x 积3成Rs2正/ 比,圆。盘波轴线上的声压与距离成反 也就是说圆盘波在远场符合球面波的变化规律。 圆盘波轴线上的声压分布如图3－2所示。
图3－2 圆盘轴线上的声压分布
3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场
• （1）近场区的定义：波源轴线上最后一个声压极大值 距波源的距离，称近场区长度，用N表示。
P jk 0c0ua e jt 2 d
jk R2 x2
e RdR R0
2
0
0 R2 x2
jk0c0uae jt
e Rs jk R2 x2 RdR
0 R2 x2
• 设 U R2 x2，则
RdR 1 dR2 1 d(R2 x2 ) 1 dU 2 UdU
22
2
3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场
第三章 超声波发射声场与规则反 射体的回波声压
• 超声波发射的超声波，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。
• 由于液体介质中的声压可以进行线性叠加，并且测试方便， 因此对声场的理论分析研究一般从流体介质入手，然后在 一定条件下过渡到固体介质。
• 又由于我们目前广泛应用脉冲反射法检测，此因还需讨论 各种规则反射体的回波声压。
J1( y)
(1)k
k 0
y 2k 1 22k1k!(k 1)!
3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场
• 指向性系数：
DC
P(r, )
P(r,0)
2J1(kRs sin ) kRs sin
• 令 y kRs sin ，则
DC
2J1( y) y
1
y2 231!
超声检测第3章
P
=sdP来自2P0sinRs2 x2 x sin t- kx
其声压辐值为：
P
=
2P0
sin
Rs2 x2 x
（3-1）
2020/10/28
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7
超声检测
式中: Rs——波源半径 x——轴线上Q点至波源的距离
上述声压公式较复杂，使用不便，特作如下简化：
当 x≥2Rs 时，根据牛顿二项式
图3-7 圆盘源波束指向性图
2020/10/28
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26
超声检测
0
arcsin1.22
Ds
70
Ds
(3-7)
式中: θ0——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，…的发散角为第二、三、 …零发散角。
2020/10/28
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29
超声检测
对于衍射时差法超声检测而言，这同时意味着 检测范围的缩小 。
因此在实际检测中要综合考虑所使用的超声技 术以及Ds和f对θ0及N的影响，合理选择Ds和f。
一般是在保证检测灵敏度的前提下尽可能减少 近场区长度。
2020/10/28
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kRs sin
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；
J1——第一阶贝塞尔函数
2020/10/28
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超声检测
J1
y
1k
k 0
y2k 1
y2k1k !k 1!
波源前充分远处任意一点的声压P(r, θ)与波源轴
超声检测第三章习题
太原理工大学材料科学与工程学院
第三章 超声波发射声场与规则反射体的回波声压
3.20 频率和晶片尺寸相同时，横波声束指向性比纵波 好。( ○)
3.21 200mm 处Φ4 长横孔的回波声压比100mm 处Φ2 长横孔的回波声压低。(○)
3.30 超声场可分为近场区和远场区，波源轴线上最后
一个声压极大值的位置至波源的距离称为超声场的
近场区长度。
(○ )
3.31 因为近场区内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的缺陷回波可
能较高， 应尽可能避免在近场区检测。 (○)
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第三章 超声波发射声场与规则反射体的回波声压
3.32 超声频率不变，晶片面积越大，超声的近场长
度越短。
( ×)
3.33 超声场远场区声压随距离增加单调减小是由于
介质衰减的结果。
(× )
3.34 在其他条件相同时，横波声束的指向性比纵波
好，横波的能量更集中一些，因横波波波长比纵
波短。
(○)
3.35 同频率的探头其扩散角与探头晶片尺寸成反比， 近场区长度与晶片面积成正比。( ) ○
3.14 声波辐射的超声波的能量主要集中在主声束内。 (○)
3.15 实际声场与理想声场在远场区轴线上声压分布基 本一致。(○)
3.16 探伤采用低频是为了改善声束指向性，提高探伤 灵敏度。(×)
3.17 与圆盘源不同，矩形波源的纵波声场有两个不同 的半扩散角。( ○)
3.18 在超声场的未扩散区，可将声源辐射的超声波看 成平面波，平均声压不随距离增加而改变。( ○)
第3章 超声波发射声场与规则反射体的回波声压
PB1
P0
Fs
2 x1
PB2
P0
Fs
2 x2
dB 20 lg PB2 20 lg x1
PB1
x2
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
平底孔处的声压：Px
P0
Fs
x
探头接收到的平底孔回波声压：
Pf
P0
Fs Ff
2x2
式中：Fs ——声源面积；
Ff ——平底孔面积。
计算的前提
所有规则反射体回波声压计算的前提：
1、反射体在声场的足够远处： x>3N 声轴线上声压随声场的变化规律近似球面波：
Px
P0
Fs
x
2、反射体表面光滑、声束垂直入射、声压全反射。
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。
两厚度分别为X1，X
的大平底的回波声压分别为：
应用：底波法调整灵敏度、缺陷当量计算。
长横孔
长横孔回波声压：P1
P0 Fs
2 x
Df 2x
两长横孔回波声压（高度）差：
V12
20 lg
Pf 1 Pf 2
10l g
Df 1x23 Df 2 x13
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
两个半扩散角（θ上 >θ下）：
上 2 下 1 sin 1 a b,sin 2 a b a sin 1 (1.22L1 )2
Ds
b 1.22L1cs2 cos
第三章--超声波发射声场与规则反射体分回波声压
2.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，横波声场的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。
第三章 超声波发射声场 与规则反射体的分回波声压
主要内容： 纵波发射声场 横波发射声场 规则反射体的回波声压 AVG曲线
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。 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。
横波声场中，第二介质中的近场区长度为 式中 FS—波源的面积； λS2—第二介质中横波波长； L1—入射点至波源的距离； L2 —入射点至假想波源的距离。
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）
四、实际声场与理想声场
以上讨论的是液体介质，波源作活塞振动，辐射连续波等理想条件下的声场，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的。
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本一致。这是因为，当至波源的距离足够远时，波源各点至轴线上某点的波程明显减少，从而使波的干涉大大减弱，甚至不产生干涉。 但在近场区内，实际声场与理想声场存在明显区别。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虽然也存在极大极小值，但波动幅度小，极大值远小于2P0。极小值也远大于零，同时极值点的数量明显减少。这可从以下几方面来分析其原因。
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 ）二、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。
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
第3章-超声波发射声场与规则反射体的回波声压
式中：n——正整数，取n 0,即声压的最后极大值出现的声程：
N Ds2 2 Ds2 Rs2 Fs 4 4
3.1.1 圆盘波源辐射的纵波声场
当 (
Rs2 x2 x)＝n时，声压有极小值：
x Ds2 (2n)2 8n
n 1、2、3、4...时对应的声程约为N/2、N/4、N/8...
半扩散角θ0 （指向角、第一零值发散角）
当y=kRs sin 3.83, 7.02,10.17...时，Dc＝0，即有声压为0点。
当y=kRs sin 3.83，即第一零点发散角——半扩散角：
0
arc sin1.22
Ds
70
Ds
()
0 2
r θ
r
1
θ0
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。
近场区长度 N Fs
特点：与圆盘波源相同。
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：
N ' (N1
L) c1 c2
( Ds2 L) c1
4 1
c2
3.1.4 实际声场与理想声场比较
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：
Ds'
Ds
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结论：近场区长度与波长成反比（与频率成正比），与声源面积 成正比。
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圆形晶片辐射声场近场区长度与声源尺寸的关系
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2.超声场横截面声压分布
在当 x<N 的近场区内，存在中心轴线上声压为0的截面，如x=0.5N 的截 面，中心声压为0，偏离中心声压较高。在 x≥N的远场区内，轴线上的声 压最高，偏离中心声压逐渐降低，且同一横截面上的声压的分布是完全 对称的。
结论： (1) D(θ) ≤1 。
(2) 当y 3.83， 7.07， 10.17...时，P(r , ) 0。 由y kRsin 3.83得半扩散角，即第一零 值发散角： 0 arcsin1.22 70 DS DS
(3) 当y>3.83，即θ>θ0时，
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二.矩形波源辐射的纵波声场
1.波源轴线外的声压分布
Pr , , P0 FS sin ka sin cos sin kb sin r ka sin cos kb sin
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二.横波声场的结构
1.波束轴线上的声压 P kF cos x 3N x cos
S S2
2.近场区长度
NS
FS cos (由假想的波源算起) S 2 cos
'
FS cos tan 第二介质中近场区长度 N NS L2 L1 S2 cos tan
大，近场长度
越大，越不利 于检测。
正方形晶片辐射声场近场区长度与声源尺寸的关系
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矩形晶片辐射声场的数值计算结果
上图表明：晶片尺寸越大，指向性越好。
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矩形晶片（两平面）辐射声场声压分布（数值模拟）
完全干涉，干涉大
频率单一 衰减系数α =0 波动幅度大
2
3
<N
>N
极大值Pmax<2P0；极小值Pmin>0 极大值Pmax=2P0；极小值Pmin=0 波动幅度小 轴线上声压单调递减 轴线上声压：Px=P0FS/λx 扩散角：θ0=sin-1(1.22λ/D) 实际声场的波束比理想声场波束指向性更好，波束更集中。 近场区长度：N= D2/4λ； 未扩散区：b= 1.64N
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三、纵波声场近场区在两种介质中的分布
基于钢中： c D c N N2 L 1 2 L 1 c 2 4 2 c2
' 2
基于水中：
2 c1 c1 DS N N1 L L c c2 41 2 '
P dP 2P0 sin
S
R 2 x 2 x sin t kx
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(1) 波源轴线上Q点声压幅值为：
P 2 P0 sin
2 R 2 2 S R x x 2 P0 sin 2 x 2 P0 sin
由sin 0 1.22
DS
DS / 2 ( DS / 2) b
2 2
得
2 DS 未扩散长度： b 1.64N 2.44
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例题：若用f=2.5MHz，D=20mm的直探头检测钢工件 (声速cL=5900m/s )，那么近场长度 N，半扩散角θ0和 未扩散区长度b分别是多少？ 解：
2 3RS
x 2RS
2 RS F 当 ，即x 时，sin ，则有： P P0 P0 S 6 x x
波源轴线上的声压随距离变化关系图 上式表明，圆盘轴线上的声压n Polytechnic University
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例题：用f=2.5MHz，Ds=14mm的纵波直探头水浸法检测钢板。 已知水层厚度为20mm，水中声速为c1=1480m/s， c2=5900m/s， 求钢中近场长度。
基于钢中：钢中纵波波 长 2 c 2 5.9 2.36mm f 2.5
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[例1]试计算2.5MHz、14mm×16 mm方晶片K1.0和K2.0横波探 头的近场长度N（钢中横波声速为cS=3 230m/s）。 解：
cS2 3230 103 S2 1.29mm 6 f 2.5 10
ab cos 14 16 N K1.0 0.88 48.7mm S2 cos 3.14 1.29 N K 2.0 ab cos 14 16 0.68 37.7mm S2 cos 3.14 1.29
0 arcsin
2b
57
2b
同理，在XOZ平面内半扩散角 0：
3.近场区长度
N
0 arcsin
FS
2a
57
2a
矩形波源有两个不同的 半扩散角， 其主声束为四棱锥形， 其声场横 截面为矩形。
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左图表明：矩 形晶片尺寸越
2
2 14 c1 DS c1 1480 ' N N2 - L L 20 15.7mm c2 42 c2 4 4.26 5900
基于水中：水中纵波波 长 1
'
c1 1.48 0.592mm f 2.5
2 2 1480 c1 14 c1 DS N N1 L L 20 15.7mm c2 4 1 c2 4 0.592 5920
(2)近场区(菲涅尔区)：波源附件由于波的干涉而出现的一系列声压 极大极小的区域。 近场区长度：波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离，用N表 示。 2 2 RS DS F N S 4 (3)远场区：波源轴线上的至波源的距离x>N的区域。 远场区轴线上的声压随距离的增加单调减少，当x>3N时，声压距 离成反比。 在近场区检测定量是不利的，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，因此应尽可能避免近场区检测定量。
2.指向性与半扩散角
Pr , , P0 FS sin ka sin cos sin kb sin r ka sin cos kb sin
FS (1)当 0 时， Pr ,0,0 P0 r
(2)当 0 时，Pr ,0, P0
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圆盘源声压沿轴线和 横截面分布图
在 x≥N的远场区内，轴线上的声压最高，偏离中心声压逐渐降低， 且同一横截面上的声压的分布是完全对称的。
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3.波束指向性与半扩散角
(1)波源轴线外任一点的声压为
FS sin kb sin r kb sin
则在YOZ平面内指向性系数： Pr ,0, sin kb sin 令 sin y Dr Pr ,0,0 kb sin y
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当y kb sin 0 3.14 时，Dr 0。 由此得 在YOZ平面内半扩散角 0：
D 0.15 。
说明超声能量主要集中在半扩散角内。
(4) 在超声波主波束之外存在一些副瓣，能量很小。
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上图表明：晶片尺寸越大，指向性越好。
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4.波束未扩散区与扩散区
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近场区长度的推导过程：
当sin
2
R
2
x 2 x sin 2n 1
2
2
1 时声压有极大值。
DS 2 2n 1 x ，n 0 时的x值对应最后一个声压极 大值。 4 2n 1
2 2 DS RS F F f 所以近场长度: N S S 4 cL
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第3章 超声波发射声场与反射体 的回波声压
主讲教师：王秋萍
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主要内容
3.1 纵波发射声场 3.2 横波发射声场
3.3 规则反射体的回波声压
3.4 AVG曲线
2
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2 6 2 2 DS DS f 20 2.5 10 N 42.4 mm 3 4 4cL 4 590010