無損檢測(cè)學(xué)習(xí)第二章

第一節(jié)縱波發(fā)射聲場(chǎng)一、圓盤波源輻射的縱波聲場(chǎng)（聲源固定在無限大障板上）1.波源軸線上聲壓dp=jkpcuadsej伽-kh)2兀hds=2兀pdp h=p2+x2ii vi聲源在Q點(diǎn)產(chǎn)生的總聲壓e—3khP(Q)=jkpcuej3)Ja 2兀pdpa o2兀h 1 1=—pcuejot[e-jkR—e-jkx]a-jk(x-R)2一-jk(x-R)2一e2 ]=—p叫用廠2[ek=2pcusin[—(R一x)]ejg—k(r+x)/2+冗/2]a2此處用到公式sin9此處用到公式sin9=ejQ—e—jQ2jQ點(diǎn)處的聲壓振幅P可表示為P=2Psino

+x2一x)]式中R——波源半徑sx――軸線上Q點(diǎn)至波源的距離P——pcuoa（1）近場(chǎng)區(qū)兀D 兀a）當(dāng) （*丁+x2一x）=（2n+1）時(shí)九、4 2P二2P聲壓具有最大值，此聲壓為2倍平面波聲壓。此位置x此位置x二DS+1)24九(2n+1)D—九n=0,1,2……[2九]有(n+1)個(gè)值其中n=0為距聲源最遠(yuǎn)一個(gè)最大值，D2一九2D2此時(shí)N=一4^ 沁就(條件D>>九)N稱為近場(chǎng)長(zhǎng)度。近場(chǎng)區(qū)內(nèi)，與聲軸垂直且與聲源面積相當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)其平均聲壓等于平面波聲壓。b)聲壓最小值點(diǎn)當(dāng)扌(芻+x2—x)二n兀時(shí)，該位置聲壓振幅P=0。4以x'表示聲壓最小值點(diǎn)的位置,則8n九X'= ，嚴(yán)"，得nv[?]取整，最小值個(gè)數(shù)為1、2、3??叮8n九n 8n九 2九 2九其中n=1相應(yīng)于最遠(yuǎn)的最小值點(diǎn),D2九D2 N且此點(diǎn)的值為x1=衣-?芯=1N內(nèi)其他各點(diǎn)的聲壓介于0與2p之間。當(dāng)x>N時(shí)，聲軸線上的聲壓從2P0單調(diào)下降。當(dāng)x>>R時(shí)，s兀I P=2Psin[丁(JR2+x2—x)]

0九Vs' 1R z=2Psin{=[x'1+(—)2一x]}(d+z沁1+_)

o九 x 2

兀2Psin{〒[x（1+0九R2s-2x2）-x]}兀R2 R2s-2x2）-x]}=2P0sin錄（蒼）?2P古[1-6（2]F1兀R2

=Po蒼[1-6（靈）2]2]QPs相對(duì)誤差為6(笄)262xX兀2N224x2R2 1兀 兀相對(duì)誤差為6(笄)262xX兀2N224x2R2 1兀 兀2N=——，故當(dāng)x=N時(shí)，誤差A(yù)=三（牙）2= =0.411,X 62 24x=1.67N,A=0.15,x=3N,A=0.046f)聲軸線上遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)PF0sXx即遠(yuǎn)場(chǎng)中,聲軸線上聲壓與距離成反比。式中Fs遠(yuǎn)場(chǎng)中任意一點(diǎn)M(r,0)處的聲壓為：P(r,e)=甘[2J鳥;9)]=P(r,0)/P(re)s2J(kRsin9)D(9)=[1s] 稱為圓盤源遠(yuǎn)場(chǎng)的方向性函數(shù)。kRsin9sD(9)的特性是：a)2J](V)

V當(dāng)a)2J](V)

V當(dāng)vT0即0T0時(shí)（即聲軸線處）TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"b）kR<1時(shí)J（V）沁V/2,D（0）沁1,輻射各向均勻。s 2兀（kR<1即R<1,為低頻輻射）s 九sC）當(dāng)C）當(dāng)kR大于3.83時(shí)，輻射具有復(fù)雜的指向性，其指向特性下圖所示,當(dāng)kRsin0=3.83時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)零值，此時(shí)相應(yīng)的0值以0表示：s 0 ,C.2①a00=sin「1(滬\o"CurrentDocument"./九3.83、=sm-1( )2兀R=sin-1(0.61令)當(dāng)九<<Ds時(shí)，00沁1.22當(dāng)九<<Ds時(shí)，00沁1.22菩（弧度）沁70蒼（度）ss00稱為第一零輻射角或半擴(kuò)散角，此角度處聲壓振幅為零。主聲束寬度為20（0為球面角）002．束未擴(kuò)散區(qū)與擴(kuò)散區(qū)sin0沁1.22 =匕/2得b沁& =1.64N0D 抄2+（D/2）2 2.44九

波束未擴(kuò)散區(qū)長(zhǎng)度為1.64倍近場(chǎng)長(zhǎng)度。例：求2.5P20直探頭在鋼中的N、90和b(鋼中縱波聲速為5900m/s)D2 D2 202x2.5x106N=―a— —二 二42.4(mm)4九 4C 4x5900x103l—70?-70D—70?-70DC

——1—

Df—70x5900x10320x2.5x106—8.26b=1.64N=1.64X42.4=69.5(mm)3．超聲場(chǎng)截面聲壓分布。、矩形波源輻射的縱波聲場(chǎng)1.方向性函數(shù)PF、矩形波源輻射的縱波聲場(chǎng)1.方向性函數(shù)PFP(r,9,e)—L九rsin(kasin9cos?)sin(kbsin?)

kasin9cos?kbsin?聲軸上聲壓為P(r,0,0)—P(r,0,0)—PF—0_s九rYOZ平面內(nèi)的半擴(kuò)散角90—sin一i(3)沁57—2b 2b(度)1LX2 50 在XOZ平面內(nèi)的半擴(kuò)散角90為e0=sin-i（2a）?572a（度）近場(chǎng)長(zhǎng)度N=F=*（幾何平均值）或N=牛（經(jīng)典聲學(xué)公式）教材上給的公式NFllab教材上給的公式NFllab=―A= 1-2= -兀九兀九兀九（不很妥當(dāng)）.、近場(chǎng)區(qū)在兩種介質(zhì)中的分布在均勻介質(zhì)中N=D2/4九，-^= TsNN12/=代,iDA=i—4=i二

2N11D2/4九1九1ccTOC\o"1-5"\h\z2 s 2 1 2 2\o"CurrentDocument"c D22N=N—l亠= s-22c4九22N2—介質(zhì)II中（鋼中）近場(chǎng)長(zhǎng)度L—水層厚度[—介質(zhì)I中（水中）波速C2—介質(zhì)II中（鋼中）波速九2—介質(zhì)I中（鋼中）波長(zhǎng)例：求2.5P14縱波直探頭水浸探傷鋼板，已知水層厚度為20mm,鋼中Ci=5900mm/s，水中Ci=1480m/s°求鋼中近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度5.9f2.55.9f2.5=2.36(mm)“D27c 14X1420X1480N= —1—1= — =15.7（mm）4九c 4x2.36 590022四、實(shí)際聲場(chǎng)與理想聲場(chǎng)比較（1）理想聲源：連續(xù)，單頻波，干涉充分實(shí)際聲源：脈沖，多頻波，干涉不充分

脈沖波可分解為多頻波,每個(gè)分量都有各自的近場(chǎng)長(zhǎng)度和半擴(kuò)散角,觀察點(diǎn)處的總聲壓為各分量聲壓之和,即P=\P2+P2+P2+ + P2'12 3 n近場(chǎng)長(zhǎng)度內(nèi),各分量的零值點(diǎn)位置不同,因此實(shí)際上不存在真正的零值點(diǎn)。遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)亦不存在絕對(duì)的零輻射角。實(shí)際聲源是非均勻激發(fā),理想聲源是均勻激發(fā)(活塞型)理想聲場(chǎng)是針對(duì)液體介質(zhì)而言的,而實(shí)際探傷對(duì)象是固體介質(zhì)。第二節(jié)橫波發(fā)射聲場(chǎng)、假想橫波源橢圓短軸s scosaCOSP橢圓短軸s scosa1.波束軸線上的聲壓(略)2.近場(chǎng)長(zhǎng)度圓晶片:N='NN12:D2N='NN12:D2D2s s—4九4九*s2s2COS2Pcos2aD2cosPs—4九cosas2FcosPs—兀九cosas2方晶片：可參照上式近似計(jì)算第二介質(zhì)中的近場(chǎng)長(zhǎng)度N'1tga1tga11tgps—兀九cosas2F—波源面積s九2—介質(zhì)II中橫波波長(zhǎng)入射點(diǎn)至波源的距離入射點(diǎn)至假想波源的距離例1試計(jì)算2.5MHz、14X16mm方晶片K1.0和K2.0橫波探頭的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度N。(鋼中CS2=3230m/s)解：入s=CS2//=3.23/2.5=1.29(mm)N(K)亠沁1 1兀九CosaSN(K)亠沁1 1兀九CosaS2 114x163.14x1.29x0.88二48.7m)N(K)二22abCosP

兀九Cosa14x163.14x1.29x0.68二37.7m)由上計(jì)算表明，橫波探頭晶片尺寸一定，K值增大，近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度將減小。例2：試計(jì)算2.5MHz、10X12mm方晶片K2.0橫波探頭，有機(jī)玻璃中入射點(diǎn)至晶片的距離為12mm,求此探頭在鋼中的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度N。解：入S2=CS2//=3.23/2.5=1.29（mm）N，二_a^Cos^_L空兀九Cosa1tgPS2=3^x%8-12x0-58=13(m)3.半擴(kuò)散角s橫波聲場(chǎng)半擴(kuò)散角a=sinB：1_(9=卩—卩s橫波聲場(chǎng)半擴(kuò)散角a=sinB：1_('2=P_P1inP=a一b,sin上9下sin17 1.22九c上9下sin1b= cosaDcsl1晶片圓：90=arcsin1.22九Q70-^2晶片圓：90=arcsin1.22九Q70-^2Ds（晶片圓）方晶片：9=arcsin1.22爭(zhēng)=57苓（度）2a—晶片在a方向邊長(zhǎng)0 2a 2a例題：用2.5MHz、?12mm縱波直探頭探傷鋼工件，鋼中CL=5900m/s,求其半擴(kuò)散角。解：入=CL/f=5.9/2.5=2.36（mm）LL9=70入6^70x2.36/12=13.8。0LS第三節(jié)聚焦聲源發(fā)射聲場(chǎng)一、 聲場(chǎng)的形成1）液浸型條件：C1>C2 ，即透鏡中聲速大于液體中聲速rcrF的值為F= = 1 —2.25r,r二0.445F1-C2/C1 C1-C2（設(shè)c2—c水—1500米/秒，有機(jī)玻璃C]—2700米/秒）2）接觸型條件：C>C12C1:（如有機(jī)玻璃中）C]=2700米/秒C2:（如聚楓中）C2=2300米/秒二、聚焦聲場(chǎng)的特點(diǎn)與應(yīng)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，

兀F x2P0sin[-B—(1—-)]聲壓P的近似公式為：P=一2 -匚(1--)F式中F=焦距=cr=/（c-c）112r 聲透鏡曲率半徑x 觀祭點(diǎn)聲源的距離B=R2/九F=N/F，R為波源半徑在焦點(diǎn)處x=F上式可簡(jiǎn)化為P二-BP。（2—25）當(dāng)B=10時(shí)，P=31.4P0。即當(dāng)焦距F近場(chǎng)長(zhǎng)度的1/10時(shí)，其聲壓為平面波聲壓的31.4倍由圖可見，B越大，即F相對(duì)近場(chǎng)長(zhǎng)度越小，聚焦效果愈好。當(dāng)F=N時(shí)，B=1，P二-BP二3.14P00結(jié)論：焦距應(yīng)選在近場(chǎng)之內(nèi)2．焦柱的幾何尺寸因?yàn)槁暡ǖ牟▌?dòng)性，焦點(diǎn)附近為一個(gè)聚焦區(qū)。對(duì)柱面形透鏡而言，焦柱直徑d和焦柱長(zhǎng)度L可表示為（聲壓下降6dB測(cè)量法）du九F/2R（d——焦柱直徑）L"F2/R2（L——焦柱長(zhǎng)度）L/d=2F/R……常數(shù)3．聚焦探頭的應(yīng)用1）缺陷尺寸的測(cè)定

2）裂紋高度的測(cè)定，裂紋高度配合斷列力學(xué)計(jì)算使用壽命3）特殊工件粗晶材料檢測(cè)沁1.2九沁1.2九f/R 入一一波長(zhǎng)d焦距直徑0沁1.22九/d0d=1.22九/00tg00=R/f0s0沁R/f0sd沁1.22九f/Rss四、焦探傷時(shí)水距的選擇CH=F-1-^件C水CCsinpC推導(dǎo)?/—匚=_工件即 —工件sinasinpsinaC水在三角形ABC中—b 2 —―2-sinasin[180°-a-(P-a)]sinpF-H 1?/ —cosa,——cosPF-H 1?/ —cosa,——cosPS b2???SF-H陰，b—1cosPbS— 2—sinasinp1sinacospF-Hsinpcosa即H=F-lsin卩C0Sa=F-C工件1叱sinacosB CcosB水當(dāng)a很小時(shí)，cosa沁l,cosB沁1,即C0S:沁1cosB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(píng)價(jià)缺陷的大小。由于工件中缺陷的形狀性質(zhì)各相同,以前的探傷技術(shù)還難以確定缺陷的真實(shí)大小和形狀?；夭晧合嗤毕?其實(shí)際大小可能相差很大,為此引入當(dāng)量法。當(dāng)量法的定義：在同樣的探測(cè)條件下,當(dāng)自然缺陷回波與某人工反射體回波等高時(shí),就認(rèn)定該人工反射體尺寸就是此自然缺陷的當(dāng)量尺寸。（自然缺陷的實(shí)際尺寸往往大于當(dāng)尺寸）人工缺陷或規(guī)則反射體的種類主要有：平底孔、長(zhǎng)橫孔、短橫孔、球孔、大平底、圓柱曲底面。面分析這些人工反射體的反射規(guī)律、平底孔回波聲壓當(dāng)x>>3N時(shí),若波束軸線垂直于平底孔,平底孔可看作一個(gè)新的圓盤源,其起始聲壓就是入射聲波在平底孔處的聲壓P二PF/九xx0s探頭接收到的平底孔回波聲壓Pf為PfPFF—兀D2P=―x_f=0_s_=PF f—f Xx 九2x2 0s4X2x2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。Fs探頭波源面積F=-D2s4s平面波聲壓式中：P0二P0cUa平面波聲壓兀Ff――平底孔缺陷面積 Ff=4D2

D2flx2D21f2九D2flx2D21f2TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"H P x2任意兩個(gè)平底孔回波聲壓或波高之比為：f2=fl= 2-任意兩個(gè)平底孔回波聲壓或波高之比為：H Pf1 f2二者回波聲壓分貝差為：心201哈二40lgDl-12f2 f2 1⑴當(dāng)Df1=Df2時(shí),距離增加一倍，其回波下降12dB⑵當(dāng)xi=x2時(shí)，若Dfi=Df2，則A12二40lg2二40x0.3010二則A12f2即距離相同時(shí)，平底孔直徑增加一倍，其回波升高12dB二、長(zhǎng)橫孔回波聲壓長(zhǎng)橫孔：直徑較小而長(zhǎng)度大于聲束直徑超聲波在長(zhǎng)橫孔表面的反射類似于球面波在柱面鏡上的反射，此時(shí)公式(1.54)為Pxf此時(shí)公式(1.54)為Px(1+x/a)[x土f(1+x/a)]以a=x,f=Df/4,P/a二PF/九x代入上式且取正號(hào),f1 0sPF|__D PF頁(yè)可得P=P—°s f沁fxf2九xD+2x2九x\2xfDf/4PFDf/4推導(dǎo)：Pxx=―0_s_推導(dǎo)：Pxx2九x^(1+1)[x+(Df/4)(1+1)]

PF,D=—0—s f-2九x、i2(x+Df/2)PF：=—0_s f2入x飛2x+DfA12=20lgf=10A12Pf2 Df2x3⑴當(dāng)D=D,x=2x時(shí)，f1 f22 1A]2=20lg(Pfi/Pf2)=30lg%/X])=30lg2=9dB即：長(zhǎng)橫孔直徑一定，距離增加一倍，其回波下降9dB⑵當(dāng)x=x,D=D時(shí)12f1 f2A12=20lg(Pf1/Pf2)=10lg(Df1/Df2)=10lg2=3dB

即：長(zhǎng)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(zhǎng)度明顯小于波束截面尺寸的橫孔。設(shè)橫孔直徑為Df,長(zhǎng)度為lf,當(dāng)x>>3N時(shí)超聲波在短橫孔上的反射回波聲壓P=肚f可九x2x、即：短橫孔回波聲壓與短橫孔長(zhǎng)度lf成正比，與短橫直徑的平方成正比，與距離的平方成反比。A=20lgf=10lg監(jiān)--2-Dfi12 Pf2 %%1Df2⑴當(dāng)D=D,l=l,x=2x時(shí)，f1 f1f1 f221A=20lgP/P=40lg(x/x)=40lg2=12dB即：短橫孔直徑和12 f1 f221長(zhǎng)度一定時(shí)，距離增加一倍，其回波下降12dB，與平底孔變化規(guī)律相同。當(dāng) D=D,x=x,l=l 時(shí) ，A=20lgP/1P=f20lg(l2lf1)=20lg2=6dB即:短橫孔長(zhǎng)12 f1f2 f1f2度增加一倍時(shí)，其回波上升6dB當(dāng)-=-,l=l,D=D時(shí)，1 2f1f2f1 f2A12=20lg(Pf1/Pf2)=10lg(Df1/Df2)=10lg2=3dB即：短橫孔直徑增加一倍時(shí)，其回波升高3dB四、球孔回波聲壓設(shè)球孔直徑為Df,超聲波垂直入射，全反射，Df足夠小。當(dāng)x23N時(shí)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,/=Df/4,P1/a=P0Fs/九x代入(1.53)并取正號(hào)，同時(shí)考慮至Qf<<x，可得到球孔回波聲壓：PFD1=0s匚九x1x+D/2fPFDu0s匚九X1x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(shí)回波聲壓上升6dB,距離增加一倍時(shí)，回波聲壓下降12dB。PF五、大平底當(dāng)x±3N,超聲垂直入射于大平底面PB=右B2九x

大平底面的回波聲壓與距離成反比A=20lg(P/P)±201g(大平底面的回波聲壓與距離成反比A=20lg(P/P)±201g(x/Bl)B2當(dāng)xA1221=20lg(P/P)=201g(xB1/xB2=20lg2=6dB即：大平底面距離增加一倍，其回波下降6dB六、圓柱曲底面回波聲壓1.實(shí)心圓柱體以a=x,/=Df/4,Px/a二P°/九x代入（1.54）并取負(fù)號(hào)，得實(shí)心圓柱PBfPBfx/a)[x-f(1+x/a)]PF—2九x這說明，實(shí)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(nèi)孔回波（探頭置于外圓）代入（1.54），并取正號(hào)，得外圓探傷以a=x=（D—d）/2,f=d/4, 空心圓柱體凸柱曲底面的回波聲壓:P/a二PF/九x 一1 0s ZP=—1Ba(1+x/a)[x+f(1+x/a)PF'~d—0s2九xD這說明，內(nèi)孔回波低于大平底回波聲壓。2）外表面回波（探頭置于內(nèi)孔）以a=x=（D—d）/2,f=D/4,P1/a二P°/九x代入（1.54）式并取負(fù)號(hào)得回波聲壓：

PBI fPB\(1+x/a)[x-f(1+x/a)]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(shí)的回波聲壓公式P=Pe-2ax/8.68f衰 fa 介質(zhì)單程衰減系數(shù)，單位dB/mma分貝=a1——奈培， ldB=0.115奈培=1/8.68奈培8.68 1例：用2.5P20探頭探測(cè)400m鍛鋼件，要求三?4的缺陷不漏檢用200/?2平底孔試塊如何調(diào)節(jié)靈敏度？用工件大平底如何調(diào)節(jié)靈敏度？解：D24解：D24c/f2024x5.9/25=42.4(mm)T=400〉3N,試塊厚度T'=200〉3N,可用計(jì)算法確定探傷靈敏度6x①根據(jù)A(Pf/P.)=40lgfifj 6xif40lg420040lg42002400=0dB即：用200/62平底孔試塊調(diào)節(jié)靈敏度時(shí)，將200/?2平底孔回波調(diào)到基準(zhǔn)波高即可。②A(P/P)=20lgx^ =20lg3.14x4=-31.4dB平 x2Xx 2x2.34x400f f即：用200/62平底孔試塊調(diào)節(jié)靈敏度時(shí)，將工件大平底回波調(diào)到基準(zhǔn)波高，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(dāng)量大小G

之間關(guān)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?！竿ㄓ肁VG曲線AVG曲線分類：按通用程度分I實(shí)用AVG曲線「縱波AVG曲線按波型分橫波AVG曲線「平底孔AVG曲線按反射體類型分I橫孔AVG曲線一、縱波平底孔ANG曲線1.通用AVG曲線當(dāng)x23N,不考慮介質(zhì)衰減時(shí),大平底與平底孔回波聲壓為PBPF=―0_PBPF=―0_2九x'PfZ2x2PB與P0或HB與H0的比為TOC\o"1-5"\h\zHF 兀D2 兀N 兀B—s= s= = _H 2Xx4九-2x 2x2A0（這里A=x/N為歸一化距離）HPFF 兀DHPFF 兀D2f—f—sf— s_H0 P0 Z2x2 400D2D2 D2 兀2 G2兀2— J? J?f? —4九42D2x2A2sHB和Hf相對(duì)于H0的波高為V］和V2:V1—[B]-[Ho]-20覽器—20lg2A （2—49）0V2—[f]-[Ho]—20lg*—40lg孚 （2—50）2 0 H0 AA——?dú)w一化距離G 歸一化缺陷當(dāng)量V]——底