如何测量横波斜探头在钢中剩余近场区长度

近场区长度是我们非常了解的概念，我们都知道由于近场区内的声压不稳定，不适用于超声检测。

而三倍近场区长度以外的远场区，此时探头的声波与球面波规律相近，是超声检测的最佳区域。

因此，我们都毫无置疑的认为近场区是不利因素，应尽量减小其长度。

（图片来源：特种设备超声检测教材第64页）
超声波声场
NB/T47013.3-2015标准中，给出了探头K值、标称频率、探头前沿等参数的规定，但是未给出探头晶片尺寸选择的参考，在编写焊缝超声检测工艺中，如何选择合适的探头晶片尺寸，却成为一道难解之题。

但是我相信任何艰难的问题都有突破口，近场区长度却是解决该难题的重要线索之一。

虽然大家都知道近场区长度是一个非常重要的参数，可是在实际操作中，有多少人去真正去测量近场区的长度呢？很多人忽略了近场区的存在，而仅停留在理论层面。

特别是横波斜探头的近场区长度，而现在我们就要改变这个局面。

（图片来源：网络）
超声波声场近场区
直探头的近场区长度无需测量，仅需简单的公式计算即可得出。

而横波斜探头与直探头的原理大为不同，其的近场区长度也不同于直探头。

斜探头的近场区长度测量，又成为了另一个难题。

有人会质疑，特种设备超声检测教材中，不是给出了横波斜探头在钢中的近场区长度计算公式吗？又何谈难题呢？
现在推荐一个简单实用测量横波斜探头的方法，根据特种设备超声检测教材第66页的公式来计算。

横波斜探头钢中剩余近场区长度计算公式
公式中，FS为晶片尺寸，λs2为被检材质的波长，L1为斜探头入射点至波源距离。

为了方便计算，教材给出cosβ/cosα和tanα/tanβ的值，如下表。

（图片来源：特种设备超声检测教材第67页）
横波斜探头钢中剩余近场区长度计算公式
晶片尺寸、波长等值均可获得，唯独斜探头入射点至波源的距离L1不知道。

难道要被一粒老鼠屎，坏了一锅粥吗？
非也，L1并不是老鼠屎，也没坏一锅粥，有一个简单而又实用测量L1值的方法。

我们想想在调整仪器的扫描比例（校准声速）的时候，是不是有一个零偏值t0（零点、延迟，叫法不同）呢？
什么是零偏值呢？
零偏值是晶片发出的纵波声束穿过有机玻璃的时间，其包括发射和接收传播的时间。

通常斜探头的楔块时为机玻璃，其纵波声速是一个定值，有机玻璃纵波声速一般约2700m/s，即L1=2.7×t0/2，单位mm。

结合教材中给出的公式和零偏值，即可算出横波斜探头在钢中的近场区长度。

如：2.5P13×13K1的横波斜探头，测量其零偏值t0=6.78μs，实K值=1.01。

通过公式可计算出钢中剩余近场区长度，即钢中剩余的近场区长度N=30mm。

（图片来源：试验数据）
另一个测量横波斜探头钢中剩余近场区长度的方法
其实还有一个简便方法，就是将不同规格的探头，分别在CSK-IIIA试块上制作DAC曲线，如果DAC曲线平滑，说明该点不在近场区内，否则在近场区内。

当然近场区仅为一个重要因素，还有其他因素影响曲线平滑度，如试块侧壁干扰、探头声场、声束未扩散区等。

如下图规格为2.5P13×13K1的探头制作的曲线，从制作的曲线可以看出，深度为40mm以内的声场都是不稳定的，即换算成声程为40/cos45°=56.6mm。

（图片来源：2.5P13×13K1在CSK-IIIA试块上制作曲线，屏幕中水平坐标为深度H）
这个斜探头在钢中剩余近场区长度有这么大？
当然不可能有这么大的剩余近场区长度，这个曲线是采用上述的探头制作出来的，理论计算钢中的剩余近场区长度为30mm。

那为什么仪器测量出剩余近场区为56.6mm呢？
声程56.6mm区域内的反射波幅相差不大，我们可以认为该区域为声束未扩散区，声束未扩散区长度是近场区长度的1.64倍。

在未扩散区内，波束不扩散，不存在扩散衰减，各截面平均声压基本相同，所以深度40mm（声程56.6mm区域）以内的横孔波幅高度基本一致。

未扩散区域的声场不适用于超声检测。

（图片来源：特种设备超声检测教材第61页）
超声波未扩散区域
前两天有个朋友和我讨论一个问题，采用同一厂家生产而的两个探头，频率和K值相同，晶片尺寸不同（如2.5P13×13K2和2.5P8×12K2，具体规格记得不太清楚），分别扫查深度为10mm的孔。

发现晶片尺寸越小的探头反而比晶片尺寸大的探头反射回波高。

按照正常思维方式，晶片尺寸越大，声束扩散角小，超声波声束能量越聚集，反射波应该越高，而试验结果与之相反。

如果排除晶片灵敏度差异等其他因素，最有可能的是由于近场区的缘故，是否可以采用上述的方法进行验
证呢？
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