第3章 超聲波發(fā)射聲場與規(guī)則反射體的回波聲壓

1、第三章第三章 超聲波發(fā)射聲場與超聲波發(fā)射聲場與 規(guī)則反射體的回波聲壓規(guī)則反射體的回波聲壓Chapter3 Sound Field & Echo Chapter3 Sound Field & Echo Sound Pressure Sound Pressure 目目 錄錄 ContentsContents3.1 3.1 縱波發(fā)射聲場縱波發(fā)射聲場3.2 3.2 橫波發(fā)射聲場橫波發(fā)射聲場3.3 3.3 聚焦聲源發(fā)射聲場聚焦聲源發(fā)射聲場3.4 3.4 規(guī)則反射體的回波聲壓規(guī)則反射體的回波聲壓3.5 AVG3.5 AVG曲線曲線3.1 3.1 縱波發(fā)射聲場縱波發(fā)射聲場3.1.1 3.1.1 圓盤波源輻射

2、的縱波聲場圓盤波源輻射的縱波聲場3.1.2 3.1.2 矩形波源輻射的縱波聲場矩形波源輻射的縱波聲場3.1.3 3.1.3 縱波聲場近場區(qū)在兩種介質(zhì)中的分布縱波聲場近場區(qū)在兩種介質(zhì)中的分布3.1.4 3.1.4 實際聲場與理想聲場比較實際聲場與理想聲場比較3.1.1 3.1.1 圓盤波源輻射的縱波聲場圓盤波源輻射的縱波聲場2202022002sin()22sin)23/sssssssPPRxxRxxRRPPxxRPRP FPxx聲軸線上的聲壓幅值為：式中：聲源半徑；聲程。當(dāng)時：（當(dāng)（足夠遠(yuǎn)）時：1.1.波源軸線上聲壓分布波源軸線上聲壓分布3.1.1 3.1.1 圓盤波源輻射的縱波聲場圓盤波源輻

3、射的縱波聲場n理論計算n仿真3.1.1 3.1.1 圓盤波源輻射的縱波聲場圓盤波源輻射的縱波聲場n近場區(qū)（菲涅爾區(qū)）：近場區(qū)（菲涅爾區(qū)）：在聲源附近由于波的干涉波的干涉而出現(xiàn)一系列聲壓極大值和極小值的區(qū)域。n在近場區(qū)內(nèi)，聲束不擴散。在近場區(qū)內(nèi)，聲束不擴散。n近場區(qū)長度近場區(qū)長度N N：波源軸線上最后一個聲壓極大值到：波源軸線上最后一個聲壓極大值到波源的距離波源的距離222222222()(21)4 (21)0,44ssssssRxxDnxnnnDDRFN當(dāng)（2n1） 時，聲壓有極大值：2式中： 正整數(shù)，取即聲壓的最后極大值出現(xiàn)的聲程：3.1.1 3.1.1 圓盤波源輻射的縱波聲場圓盤波源輻射的

4、縱波聲場n注：波源軸線上最后一個聲壓為注：波源軸線上最后一個聲壓為0 0的距離是的距離是0.5N0.5Nn遠(yuǎn)場區(qū)（遠(yuǎn)場區(qū)（xN）：）：聲壓隨距離增加單調(diào)減?。籲足夠遠(yuǎn)場（足夠遠(yuǎn)場（x3N）， 聲壓與聲程成反比近似球面波的規(guī)律所有規(guī)則反射體回波聲壓計算的基礎(chǔ)。2222()(2)81 2 3 4.ssRxxDnxnn當(dāng)n 時，聲壓有極小值：、 、 時對應(yīng)的聲程約為N/2、N/4、N/8.0/sPPFx3.1.1 3.1.1 圓盤波源輻射的縱波聲場圓盤波源輻射的縱波聲場n2.2.超聲場橫截面聲壓分布超聲場橫截面聲壓分布n近場區(qū)（近場區(qū)（xN)x 下下）：211221121sin,sin1.22sin

5、1 ()1.22cosLsLssLa babaDcbDc上下3.2.2 3.2.2 橫波聲場的結(jié)構(gòu)橫波聲場的結(jié)構(gòu)n橫波垂直入射橫波垂直入射220220arcsin1.2270arcsin5722ssssssDDaa對圓形聲源：對正方形聲源：3.3 3.3 聚焦聲源發(fā)射聲場聚焦聲源發(fā)射聲場3.3.1 3.3.1 聚焦聲場的形成聚焦聲場的形成3.3.2 3.3.2 聚焦聲場的特點與應(yīng)用聚焦聲場的特點與應(yīng)用3.3.1 3.3.1 聚焦聲場的形成聚焦聲場的形成n分類：水浸、接觸分類：水浸、接觸3.3.2 3.3.2 聚焦聲場的特點與應(yīng)用聚焦聲場的特點與應(yīng)用n聲壓分布聲壓分布n可見，焦距可見，焦距F F

6、越小，越小，B=N/FB=N/F越大，聚焦效果越好。越大，聚焦效果越好。n若焦距若焦距FNFN，B1B1，幾乎失去聚焦意義。，幾乎失去聚焦意義。3.3.2 3.3.2 聚焦聲場的特點與應(yīng)用聚焦聲場的特點與應(yīng)用n理想焦點是幾何點或線理想焦點是幾何點或線按照幾何聲學(xué)在理想的情況下得到；n實際焦點并非點或線，而是焦柱實際焦點并非點或線，而是焦柱干涉、聲透鏡存在球差。n焦柱尺寸：22/2/2/dFRLFRL dF RFR焦柱直徑： 焦柱長度： 式中： 焦距；聲源半徑。3.3.2 3.3.2 聚焦聲場的特點與應(yīng)用聚焦聲場的特點與應(yīng)用n粗晶材料檢測粗晶材料檢測聲束細(xì)，散射概率小，信噪比高，靈敏度高；n缺陷

7、尺寸測量缺陷尺寸測量更準(zhǔn)確；n裂紋高度測量裂紋高度測量用TOFD檢測技術(shù)測量準(zhǔn)確；n缺點：缺點：聲束細(xì)、檢測效率低聲束細(xì)、檢測效率低； 固定焦距探頭僅適用于一定深度范固定焦距探頭僅適用于一定深度范圍。圍。3.4 3.4 規(guī)則反射體的回波聲壓規(guī)則反射體的回波聲壓n大平底大平底 Flat BottomFlat Bottomn平底孔平底孔 Bottom-Drilled Hole Bottom-Drilled Hole n長橫孔長橫孔 Long Side-Drilled HoleLong Side-Drilled Holen短橫孔短橫孔 Short Side-Drilled HoleShort Sid

8、e-Drilled Holen球孔球孔 SphereSpheren大直徑圓柱體大直徑圓柱體 Huge Diameter CylinderHuge Diameter Cylinder計算的前提計算的前提 所有規(guī)則反射體回波聲壓計算的前提：所有規(guī)則反射體回波聲壓計算的前提：0 x3N 2sFPPxx1、反射體在聲場的足夠遠(yuǎn)處： 聲軸線上聲壓隨聲場的變化規(guī)律近似球面波：、反射體表面光滑、聲束垂直入射、聲壓全反射。大大 平平 底底 02sBFPPx大平底回波聲壓：規(guī)律：聲壓與聲程成反比、與頻率成正比。122112001212XX2220lg20lgssBBBBFFPPPPxxPxdBPx兩厚度分別為，

9、的大平底的回波聲壓分別為：所以，距離相差一倍，其回波聲壓相差6dB.平底孔平底孔平底孔回波聲壓平底孔回波聲壓0022ssfsfFPPxF FPxFFxf平底孔處的聲壓：探頭接收到的平底孔回波聲壓： P式中：聲源面積；平底孔面積。規(guī)律：回波聲壓與平底孔直徑的平方成正比、與聲程的平方成反比、與頻率的平方成正比。平底孔平底孔兩平底孔回波比較兩平底孔回波比較n平底孔孔徑差1倍：回波聲壓差 12 dBn平底孔聲程差1倍：回波聲壓差 12 dB120022221221212212120lg20lg40lgssFFFFPPPPxxPDxDxdBPDxDxf1f2f1f2聲程和孔徑不同的兩平底孔回波聲壓：二者

10、的回波聲壓（高度）差： 平底孔平底孔平底孔與大平底比較平底孔與大平底比較002222220lg20lg2sfsBBfBBfF FFPPPPxxPd xdBPxff大平底和平底孔的回波聲壓分別為： 兩回波的聲壓（高度）差為： 應(yīng)用：底波法調(diào)整靈敏度、缺陷當(dāng)量計算。長長 橫橫 孔孔 n規(guī)律規(guī)律：長橫孔回波聲壓與直徑的平方根成正比、長橫孔回波聲壓與直徑的平方根成正比、 與聲程的與聲程的3/23/2次方成反比、與頻率成正比。次方成反比、與頻率成正比。n孔徑相同，聲程差一倍，回波差9dBn聲程相同，孔徑差一倍，回波差3dB.01311 212322 12220lg10 gfsffffDPFPxxPD x

11、lPD xV長橫孔回波聲壓：兩長橫孔回波聲壓（高度）差： 短短 橫橫 孔孔n規(guī)律規(guī)律：短橫孔回波聲壓與長度、直徑平方根成短橫孔回波聲壓與長度、直徑平方根成正比、與聲程的平方成反比、與頻率成正比。正比、與聲程的平方成反比、與頻率成正比。024111212242212220 g10lgffsffffffflDPFPxxPlDxlPlxDV短橫孔回波聲壓：兩短橫孔回波聲壓（高度）差： 球球 孔孔n規(guī)律規(guī)律： 球孔聲壓直徑成正比、與聲程的平方成球孔聲壓直徑成正比、與聲程的平方成 反比、與頻率成正比。反比、與頻率成正比。n直徑一定，聲程相差一倍，聲壓差12dBn聲程一定，直徑相差一倍，聲壓差 6dB02

12、11 212222 1420 g20lgfsfffffDPFPxxPD xlPD xV球孔的回波聲壓：兩球孔的回波聲壓（高度）差： 大直徑圓柱體大直徑圓柱體實心實心n圓柱體回波聲壓：n可見：與厚度與直徑相同的大平底相同?？梢姡号c厚度與直徑相同的大平底相同。02sFPPDD大直徑圓柱體大直徑圓柱體空心空心0022sBsBPFdPsDPFDPxd從外圓周徑向入射時回波聲壓：從內(nèi)圓周徑向入射時回波聲壓：可見，從外圓周面入射時比大平底回波低，因為內(nèi)壁凸面發(fā)散。 從內(nèi)圓周徑入射時比大平底回波高，因為外壁凹面聚焦。規(guī)則反射體的回波聲壓規(guī)則反射體的回波聲壓n若考慮介質(zhì)衰減，回波聲壓應(yīng)為：208 . 6 82

13、2208 . 6 8208 . 6 8208 . 6 8208 . 6 8208 . 6 8208 . 6 82224222a xsffa xfsfa xffsfa xfsfa xsBa xsBa xsBPFFPexDPFPexxlDPFPexxDPFPexxPFPexPFdPexDPFDPexd平底孔：長橫孔：短橫孔：球孔：大平底與實心圓柱體：空心圓柱體外圓入射：空心圓柱體內(nèi)圓入射：3.5.1 3.5.1 縱波平底孔縱波平底孔AVGAVG曲線曲線3.5.2 3.5.2 橫波平底孔橫波平底孔AVGAVG曲線曲線3.5 AVG3.5 AVG曲線曲線3.5.13.5.1縱波平底孔縱波平底孔AVGA

14、VG曲線曲線通用曲線通用曲線n制作：x3N 計算; x3N 實測202200084420lg20lg20lg20lg2220lg40lg40lg40lg40lgsBfsffsBBffDPPxDDPxxDxAGNDPVAPAPGVGAPA大平底回波聲壓：平底孔回波聲壓：P歸一化聲程：， 歸一化缺陷當(dāng)量：大平底相對波高：平底孔相對波高：3.5.13.5.1縱波平底孔縱波平底孔AVGAVG曲線曲線通用曲線通用曲線3.5.13.5.1縱波平底孔縱波平底孔AVGAVG曲線曲線通用曲線通用曲線n優(yōu)點優(yōu)點： 通用性強，適用于不同探頭。n缺點：缺點： 歸一化計算復(fù)雜。3.5.13.5.1縱波平底孔縱波平底孔A

15、VGAVG曲線曲線通用曲線通用曲線例：用例：用2.5P202.5P20直探頭檢測厚度為直探頭檢測厚度為400mm400mm的的鋼鍛件，已知縱波聲速為鋼鍛件，已知縱波聲速為5900m/s5900m/s，在，在170mm170mm處發(fā)現(xiàn)一缺陷，其回波比底波低處發(fā)現(xiàn)一缺陷，其回波比底波低10dB10dB。（1 1）如何用底波調(diào)整）如何用底波調(diào)整2mm2mm靈敏度？靈敏度？（2 2）求此缺陷的當(dāng)量平底孔尺寸。）求此缺陷的當(dāng)量平底孔尺寸。3.5.13.5.1縱波平底孔縱波平底孔AVGAVG曲線曲線實用曲線實用曲線n制作制作 以特定儀器和探頭，在不同深度和孔徑的反射體試塊上實測。n優(yōu)點優(yōu)點 使用簡單，無需歸一化