無損檢測學習--第二章

1、第二章超聲波發(fā)射聲場與規(guī)則反射體的回波聲壓第一節(jié)縱波發(fā)射聲場一、圓盤波源輻射的縱波聲場(聲源固定在無限大障板上)1.波源軸線上聲壓dpjk cuadsej( t kh)2 hds21d 1 hx2聲源在Q點產(chǎn)生的總聲壓P(Q) jk cuaej( t)3kh2ae0 2 hidjk cuaejRe jkhxcuaejtejkRjkx叫ejtex jk(xeR)2jk(x R)e 22 cua sink(R x)eJ t k(Rx)/2/2此處用到公式sinej e jQ點處的聲壓振幅 P可表示為P2P0s in (.R； x2 x)式中Rs 波源半徑F0x軸線上Q點至波源的距離CUa(1) 近

2、場區(qū)a)當(4Ds x2x) (2n 1)?時P 2 P0聲壓具有最大值,此聲壓為2倍平面波聲壓。此位置XnDj2(2 n 1)24 (2n1)n=0,1,2D 有(n+1)個值2此時N其中n=0為距聲源最遠一個最大值，(條件DsN稱為近場長度。近場區(qū)內，與聲軸垂直且與聲源面積相當?shù)姆秶鷥龋?其平均聲壓等于平面波聲壓。b) 聲壓最小值點(D _當一(J一- xx) n 時,該位置聲壓振幅 P=0。4以x'表示聲壓最小值點的位置，則Xn2 2Ds (2n )8n得詩取整,最小值個數(shù)為1、2、3 2 2其中n=1相應于最遠的最小值點,且此點的值為x12DsN82c) N內其他各點的聲壓介于

3、0與2P0之間。d) 當x>N時，聲軸線上的聲壓從 2P0單調下降。e) 當 x>> Rs 時,P2P°s in (R：x2x)2P0刑-xj1 (號)2 X (Q 1 22P0si n x(12P°sin-匡)2x2PoRs212x丄(旦)26 2xR：、21 ()xFsp。x6 2x相對誤差為)26 2x2 22 N2224 x,故當x=N時，誤差20.411,24x=1.67N,0.15, x 3N ,0.046f)聲軸線上遠場區(qū)P PFx即遠場中，聲軸線上聲壓與距離成反比。式中FsX遠場中任意一點 M(r,)處的聲壓為:P(r,)F0 Fs 2 J

4、1 (kRs sin )0 sP(r,0)/P(r,)r kRssinD()kRs sin稱為圓盤源遠場的方向性函數(shù)。D()的特性是:a) 2Jl(V)當V 0即0時(即聲軸線處)VD( )=1,為最大值,即聲軸線上聲壓最高，b) kRs<1 時 Ji(V)V/2,D( )1,輻射各向均勻。2 一(kRs<l即RS<1,為低頻輻射)c)當kRs大于3.83時,輻射具有復雜的指向性，其指向特性下圖所示,當kRSsin =3.83時出現(xiàn)第一個零值，此時相應的 值以0表示:sin1(3.83)(kRT)sin1(3.83)(2RT)sin 1(0.61)Rssin 1(1.22)D

5、s當 <<Ds 時，01.22(弧度)70(度)DsDs0稱為第一零輻射角或半擴散角 主聲束寬度為2 0( 0為球面角 2.束未擴散區(qū)與擴散區(qū)，此角度處聲壓振幅為零。sin 01.22Ds /2Ds2波束未擴散區(qū)長度為1.64倍近場長度。例：求2.5P20直探頭在鋼中的 N、0和b（鋼中縱波聲速為 5900m/s）N=D；D；4Ci20； 2.5 1064 5900 10342.4(mm)70DCf8.26°3.超聲場截面聲壓分布。、矩形波源輻射的縱波聲場1. 方向性函數(shù)P(r,P)Fs sin(kasin cos ) sin(kbsin )rkas in cos kbs

6、 in聲軸上聲壓為P(r,0,0)P0Fsr35900 1020 2.5 106b=1.64N=1.64 X 42.4=69.5(mm)YOZ平面內的半擴散角0 sin 1（）57（度）2b 2b在xoz平面內的半擴散角0為0 sin （ ） 57（度）2a 2a近場長度N 空 llll（幾何平均值） 44|2或N（經(jīng)典聲學公式）4教材上給的公式 NFsI1I2ab（不很妥當）三、近場區(qū)在兩種介質中的分布在均勻介質中2l1N Ds/4 一NiI2N2山IN2D：/4 1Df/4 2IlI1-C1C2C2C2C2N2 介質n中（鋼中）近場長度 L 水層厚度C1 介質I中（水中）波速C2 介質n中

7、（鋼中）波速2介質n中（鋼中）波長20m m鋼中例：求2.5P14縱波直探頭水浸探傷鋼板，已知水層厚度為C|=5900mm/s,水中CI =1480m/s。求鋼中近場區(qū)長度C5.9s.2.36( mm)f2.5“ D214 1420 1480,“、N -I15.7(mm)4 2C24 2.365900四、實際聲場與理想聲場比較（1）理想聲源：連續(xù)，單頻波，干涉充分實際聲源：脈沖，多頻波，干涉不充分(2) 脈沖波可分解為多頻波，每個分量都有各自的近場長度和半擴散角，觀察點處的總聲壓為各分量聲壓之和，即p Jr2 p2 p3 p2近場長度內，各分量的零值點位置不同，因此實際上不存在真正的零值點。

8、遠場區(qū)亦不存在絕對的零輻射角。(3) 實際聲源是非均勻激發(fā)，理想聲源是均勻激發(fā)(活塞型)(4) 理想聲場是針對液體介質而言的，而實際探傷對象是固體介質。第二節(jié)橫波發(fā)射聲場一、假想橫波源cos橢圓短軸 DsDs-cos1. 波束軸線上的聲壓(略)2. 近場長度圓晶片：,N1N2DsD： cos2.4 s2 4 s2 cos22D s cos4 s2 cosFs coss2 cos方晶片：可參照上式近似計算第二介質中的近場長度 NN' N 12Fs coss2 cosFs 波源面積s2 介質n中橫波波長li 入射點至波源的距離12 入射點至假想波源的距離例1:試計算2.5MHz、14X 1

9、6 mm方晶片K1.0和K2.0橫波探頭的近場區(qū) 長度 N。(鋼中 CS2=3230m/s)解：入 s2=Cs/?=3.23/2.5=1.29(m)N1K)ab Cos 1S2 Cos 114 163.14 1.290.8848.7 (m)N2E)ab Cos 21S2 Cos 214 163.14 1.290.6837.7 (m)由上計算表明，橫波探頭晶片尺寸一定，K值增大，近場區(qū)長度將減小。 例2:試計算2.5MHz、10X 12 mm方晶片K2.0橫波探頭，有機玻璃中入射 點至晶片的距離為12 m,求此探頭在鋼中的近場區(qū)長度N。解：入 s2=Cs2/7=3.23/2.5=1.29(m)a

10、b Cos | tgL1S2 Costg10 123.14 1.293. 半擴散角0.68 12 0.58 13 （m）Dscl1cos上下sinab在聲束軸線與入射平面垂直的平面內(即與低面垂直的平面內)晶片圓：0 arcsin1.22Ds7%：（晶片圓）方晶片：0arcsin1.2257（度）2a 晶片在a方向邊長2a2a例題：用2.5MHz、0 12 m 縱波直探頭探傷鋼工件，鋼中Q=5900m/s，求其半擴散角。解：入 L=G/f=5.9/2.5=2.36 (m)0 0=70 入 l/Ds=70 >2.36/12=13.8第三節(jié)聚焦聲源發(fā)射聲場聲場的形成1.聚焦探頭的種類1）液浸

11、型F的值為Fr1c2 / c1crCC22.25r，r 0.445F（設C2 c水1500米/秒，有機玻璃C1 2700米/秒）2）接觸型條件：C1 C2C1 :（如有機玻璃中）C1=2700米/秒C2 :（如聚楓中）C2=2300米/秒二、聚焦聲場的特點與應用1聚焦聲束軸線上的聲壓分布 在聲程x>R,焦距F>R的條件下，聲壓P的近似公式為：P式中F=焦距= c1r /（C1r聲透鏡曲率半徑 x觀察點聲源的距離F x2P°si n -B-(1 -) 2 x F(1 F)C2 )B R2/ F N /F，R為波源半徑條件：C1C2 ,即透鏡中聲速大于液體中聲速在焦點處x=F

12、,上式可簡化為PBPo （2 25）當B=10時，P=31.4P°。即當焦距F近場長度的1/10時，其聲壓為平面波聲壓的31.4倍由圖可見，B越大，即 F相對近場長度越小， 聚焦效果愈好。當 F=N 時，B=1，PBPo 3.14Po結論：焦距應選在近 場之內2. 焦柱的幾何尺寸因為聲波的波動性，焦點附近為一個聚焦區(qū)。對柱面形透鏡而言，焦柱直徑d和焦柱長度L可表示為（聲壓下降6dB測量法）d F/2R （d焦柱直徑）L F2/R2 （ L焦柱長度）常數(shù)L/d=2F/R3.1)2)3)聚焦探頭的應用缺陷尺寸的測定裂紋高度的測定，裂紋高度配合斷列力學計算使用壽命特殊工件粗晶材料檢測tgo

13、od四、1.21.22 f /Rs焦探傷時水距的選擇f/Rs入一一波長d焦距直徑C工件F 件C水推導_CC工件即sinC工件在三角形ABC中bS2sin si n180()S2sinF H I cos bS2F HIS2,bcoscosbS2sinsinIF Hsin cos sin cossin sin sinCx件 . cosIC 水 cos卄sin cos即 H F IFsin cos當很小時，cos1,cos1,即cos1cosC工件第四節(jié)規(guī)則反射體的回波聲壓概述：超聲探傷中常用反射法,反射法是根據(jù)缺陷反射回波聲壓的高低來評價缺陷的大小。由于工件中缺陷的形狀性質各相同，以前的探傷技術還

14、難以確定缺陷的真實大小和形狀。 為此引入當量法?；夭晧合嗤毕?，其實際大小可能相差很大當量法的定義：在同樣的探測條件下，當自然缺陷回波與某人工反射體回波等高時，就認定該人工反射體尺寸就是此自然缺陷的當量尺寸。（自然缺陷的實際尺寸往往大于當尺寸 ）人工缺陷或規(guī)則反射體的種類主要有：平底孔、長橫孔、短橫孔、球孔、 大平底、圓柱曲底面。下面分析這些人工反射體的反射規(guī)律一、平底孔回波聲壓當x»3N時,若波束軸線垂直于平底孔, 平底孔可看作一個新的圓盤源，其起始 聲壓就是入射聲波在平底孔處的聲壓PxP0Fs / x探頭接收到的平底孔回波聲壓Pf為2PxFfPoFsFfDfPfx fPoFs

15、fx x4 x即平底孔回波聲壓與平底孔直徑平方 成正比，與距離平方成反比。式中：Poocua 平面波聲壓2 Fs 探頭波源面積FsD s42Ff平底孔缺陷面積FfDf4在介質中的波長x平底孔到波源距離由(2 29)式可知：平底孔回波聲壓或波高與平底孔面積成正比(或與平底任意兩個平底孔回波聲壓或波高之比為:Hf2Pf12X2D?1Hf 1Pf22X1Df22Df 1Df 2X2X1二者回波聲壓分貝差為:12 20lgfPf240lg孔直徑的平方成正比) 當Df1 Df2時，距離增加一倍，其回波下降12dB當x 1 x 2時,若D f 1 D f 2Df 1則 12 40lg d 40 lg2 4

16、0 0.3010 12dB,D f2即距離相同時，平底孔直徑增加一倍，其回波升高12dB、長橫孔回波聲壓 長橫孔：直徑較小而長度大于聲束直徑超聲波在長橫孔表面的反射類似于球面波在柱面鏡上的反射此時公式(1.54)為PxP1 ifa V(1 x/a)x f(1x/a)以a=x, f Df /4,匕/a P0Fs/ x代入上式且取正號,可得PxPoRDf2 x Df 2xPoFs Df2 x 1 2x推導：PxPoFsDf/42 x (1 1)x (Df /4)(11)Df 長橫孔的直徑Pf 1Df1 x212 20lg 1Olg 3Pf2Df2X；(1)當 Df1 Df2,X2 2X1 時，12

17、 20lg(Ff1 /Pf2) 30lg(X2/xJ 30 Ig 2 9dB 即：長橫孔直徑一定，距離增加一倍，其回波下降9dB當 x 1 x 2 , D f 1 D f 2 時1220lg(Ri/Pf2) 10lg(Dfi/Df2)10lg 2 3dB即：長橫孔距離一定，直徑增加一倍，其回波上升3dB三、短橫孔短橫孔：其長度明顯小于波束截面尺寸的橫孔。設橫孔直徑為Df，長度為If，當x»3N時超聲波在短橫孔上的反射回波聲壓即：短橫孔回波聲壓與短橫孔長度If成正比，與短橫直徑的平方成正比,與距離的平方成反比。24Pf 1If 1 X2 Df 112 20|g 廠10|g?r 4-pf

18、 2If2 X1 Df 2(1)當 Df1 D f 1,1 f1 1 f 2 , X2 2x1 時，12 20lg Pf1/Pf240 Ig(x2/X1)長度一定時，距離增加一倍，其回波下降40Ig 2 12dB 即:短橫孔直徑和12dB，與平底孔變化規(guī)律相同。D f 2 , X1X2 , I f112 20Ig Pf1/Pf2 20Ig(If1/If2)20Ig2度增加一倍時，其回波上升6dB當 X 1 X2 , I f 1 I f2 , Df 1 D f2 時，1220Ig(Pf,Pf2) 10Ig(Df"Df2)10Ig2即：短橫孔直徑增加一倍時，其回波升高3dB時6dB 即:

19、短橫孔長3dB四、球孔回波聲壓設球孔直徑為Df，超聲波垂直入射，全反射， Df足夠小。當x>3N時超 聲波在球孔上的反射類似于球面波在球面鏡上的反射。以a=x, ?=D/4, R/a P0Fs/ x代入 可得到球孔回波聲壓：P巳一fa x f(1 x/a)PoFs Df1x 4 Df x (1 1)41.53 )并取正號，同時考慮到Df x ,P°Fs Df1x 4 x Df /2FQFs Dfx 4x即：球孔回波聲壓與孔徑成正比，與距離成平方成反比?？讖皆黾右槐稌r,回波聲壓上升6dB,距離增加一倍時，回波聲壓下降12dB。五、大平底當x>3N,超聲垂直入射于大平底面Pb

20、PoFs2 x大平底面的回波聲壓與距離成反比1220 lg( PB1 / PB2 )20lg(X2/xJ當 x2 2x11220 lg( PB1 / PB2 )20lg(X2 / Xi) 20 Ig 2 6dB即：大平底面距離增加一倍, 六、圓柱曲底面回波聲壓1.實心圓柱體以a=x, ?=D/4, P1 /aP0Fs / x代入（1.54 ）并取負號，得實心圓柱凹曲底面的回波聲壓為：PbPVfa < (1 x /a)x f (1x/a)P°Fs2 x這說明，實心圓柱回波聲壓等于大平底面回波聲壓。2.空心圓柱體1）內孔回波（探頭置于外圓）P /aP0Fs / x以a=x=（D -

21、 d）/2,f=d/4,代入（1.54 ）,并取正號，得外圓探傷空心圓柱體凸柱曲底面的回 波聲壓：PBa (1 x/a)Jf(1 x/a)這說明，內孔回波低于大平底回波聲壓。2)外表面回波(探頭置于內孔)以 a=x=(D d)/2,f=D/4,P1 la P0Fs / x 代入(1.54 )式并取負號得回波聲壓：PP1fB a (1 x/a)x f (1x/a)PoFs D2 x dPf衰Pfe2 x/8.68這說明，外圓回波聲壓大于大平底面回波聲壓。 七、考慮衰減時的回波聲壓公式介質單程衰減系數(shù)，單位dB/伽分貝 1 奈培， 1dB=0.115 奈培=1/8.68 奈培8.68例：用2.5P

22、20探頭探測400伽鍛鋼件，要求4的缺陷不漏檢 用200/ $ 2平底孔試塊如何調節(jié)靈敏度？ 用工件大平底如何調節(jié)靈敏度？解：ND2D24c/f2024 5.9/2542.4(mm)T=400>3N,試塊厚度T' =200>3N,可用計算法確定探傷靈敏度 根據(jù)(Pf / Pj)40 lg丄丸j Xf4 200=40lg0dB2 400即：用200/ 2平底孔試塊調節(jié)靈敏度時，將200/ $ 2平底孔回波調到基準波高即可。（Pf /P平）22°g20lg3.14 422 2.34 40031.4dB即：用200/ 2平底孔試塊調節(jié)靈敏度時，將工件大平底回波調到基準波

23、高，即將儀器靈敏度提高 31.4dB即可。第四節(jié)AVG曲線概述：AVG曲線是描述規(guī)則反射體的距A、回波高度V及缺陷當量大小 G之間關系的曲線。這里 A、V、G是德文的距離、增益和大小字頭編寫。英 文縮寫DGS曲線。通用AVG曲線AVG曲線分類：按通用程度分 YI實用AVG曲線l縱波AVG曲線按波型分Y橫波AVG曲線平底孔AVG曲線按反射體類型分Y-橫孔AVG曲線一、縱波平底孔 ANG曲線1. 通用AVG曲線當x>3N,不考慮介質衰減時，大平底與平底孔回波聲壓為PfP°FsFf2 2xPb與F0或f與H0的比為Hb Fs DfH02 x 4 2xN 2x 2A（這里A=x/N為歸

24、一化距離）HfPfFsFfDSDiiDS2dS2 2D；2G2 2H0P02 2x442 2x4422Ds xA2Hb和Hf相對于H°的波咼為Vi和V2：Vi B Ho 20lg20 Ig (2- 49)H o2AHfGV2f Ho 20lg - 40lg (2 50)HoAA歸一化距離G歸一化缺陷當量Vi底波相對于 H)的波高V2平底孔回波相對于H的波高以橫坐標表示IgA,縱坐標表示V,V2,由公式(2.49)得出大平底波高與距離 的關系曲線B見下圖。由公式(2.50)得出一族不同平底孔回波與距離之間 的關系曲線注意點：1)Vi,V2相對于H均為負數(shù)，說明各底波與平底孔回波均低于平面 回波H)2) 在1N內底波Vi的高度變化不大，近似不變(近似等于平面回波)大體可看作平面波，而平底孔回波則出現(xiàn)極大極小值，但平底孔回波的最大值不是 2P0,最小值也不是零3)