声学检测技术第三章3

3.3 聚焦声场 2、声透镜聚焦 压电晶片与平面－球面（柱面）声透 镜胶合，构成球面（圆柱面）折射面， 发射的声波经过折射可形成球面（圆柱 面）会聚的波阵面。 聚距：与形状、透镜材料的声速有关 聚焦声透镜的几何焦距F
F＝ r c2 1 c1
3.3 聚焦声场 讨论 c1 c2 F＞0，为凹面透镜，如固体透镜 F＜0,为凸面透镜，如液体和橡胶 透镜
4 l p1 f 1 x2 D f 1 12 20 l2 2
结论： 长度和孔径一定，距离增加一倍，回波下降12分 贝； 直径和距离一定，长度增加一倍，回波升高6分贝； 长度和距离一定，直径增加一倍，回波上升3分贝。
3.4规则反射体的回波声压 五.球孔
c1 c2
3.3 聚焦声场 固体透镜的材料 声折射率： c2
na c1
F＝
r c2 1 c1
要求：声折射率与1相差越大越好；但声 阻抗差别越小越好。 在水中进行聚焦，透镜材料有聚苯乙 烯、有机玻璃、铝合金等 对于人体，采用RTV硅橡胶,声速约 为人体软组织的三分之二。
3.3 聚焦声场 3、电子聚焦 利用换能器阵，各阵元使用不同的激 励时间（或相位），从而实现声波的聚 焦、调焦（动态聚焦）以及波束偏转扫 描等。 相控阵扫描检测。
Hf2 x1 D f 2
2 2
二者分贝差为 结论：
D f 1 x2 p1 12 20 lg 40 lg p2 D f 2 x1
孔径一定，距离增加一倍，回波下降12分贝； 距离一定，孔径增加一倍，回波升高12分贝。
3.4规则反射体的回波声压 三、长横孔 孔的长度大于声束直径 球面波在圆柱体上的反射
d
d
d 20 lg
比较200mm处2mm孔径的球孔和长横孔，有
2x ld 20 lg 26dB d
2 8.6dB 2.34
结论：由于凸面的反射波聚焦，在相同条 件下，凸面与平底孔之间的分贝数大于大平 底与平底孔之间的分贝数。
3.4规则反射体的回波声压
考虑材料衰减对反射回波的影响 当声程相同时，材料衰减不影响回波声 压的比较； 声程不同时，材料衰减对回波声压的影 响为：
p0 FS pB e 2x
2x 8.686
3.3 聚焦声场 四.聚焦探头的应用 1功率超声 超声焊接和超声加工 2检测超声 水浸自动检测板棒类工件 粗晶材料的检测 裂纹的精确测定 3医学超声 诊断和治疗
第3章 辐射声场与规则体的回波声压 3.4规则反射体的回波声压 一、几个概念 反射法： 利用缺陷的反射回波判定缺陷的有 无及大小的方法。 一般的超声检测方法，可对缺陷进 行定位和定量。
3.4规则反射体的回波声压
总结 在声程大于3N时，平底孔和球孔看成是 点状反射体； 对于平底孔，回波声压与孔径的平方成正 比，同声程时，孔径每差一倍，回波声压差 12分贝； 对于球孔，回波声压与孔径成正比，同声 程时，孔径每差一倍，回波声压差6分贝； 声程变化一倍时，回波声压差12分贝。
3.4规则反射体的回波声压
x

p0 Fs F f
2 x 2
Bf
pB 2x 20 lg 20 lg 2 pf D f
用途： 常用来确定纵波检测的起始灵敏度。
3.4规则反射体的回波声压 七.圆柱体 实心圆柱体 类似于球面波在凹 底面上的反射
pB p1 a f x x (1 ) x f (1 ) a a p0 FS 2x
3.4规则反射体的回波声压 当量法： 在同样的探测条件下，当自然缺陷 回波与某人工规则反射体回波相同 时，该规则反射体的尺寸就是自然缺 陷的当量尺寸。 当量缺陷与实际缺陷的比较 由于缺陷的取向、性质等影响，实 际缺陷尺寸往往大于当量尺寸。
3.4规则反射体的回波声压 常用的规则反射体 平底孔 长横孔 短横孔 球孔 大平底
p0 FS r pB 2x 2 x R p F F pf D 2 0 s f f 2 x 2 r R
分贝数为：
Bf
pB 2x 20 lg 20 lg pf D 2 f
r 2x r 20 lg 10 lg 2 R D f R
结论：由于凸面的反射波发射，在相同条 件下，凸面与平底孔之间的分贝数小于大平 底与平底孔之间的分贝数。
pf
p0 Fs D f 4x
2
2
D f 1 x2 p1 12 20 lg 20 lg 2 p2 D f 2 x1
x
结论：
孔径一定，距离增加一倍，回波下降12分贝； 距离一定，孔径增加一倍，回波升高6分贝。
3.4规则反射体的回波声压 六、大平底 与探测面平行的工件底面，表面粗糙 度远小于波长时，可看成是镜面反射， 在声程大于3N时，反射波声压为：
在声程大于3N时，长横孔和长横槽看成是 线状反射体； 对于横孔，回波声压与孔径的平方根正 比，同声程时，孔径每差一倍，回波声压差3 分贝。 原因：由于横孔属于线性缺陷，反射声压 主要由线性面积决定，孔径的影响不大。 声程变化一倍，回波声压差9分贝。
3.4规则反射体的回波声压
在相同条件下，点状反射体之间或线状 反射体之间反射声压的差别不大，但点状 和线状之间反射声压差别很大。 对于点状反射体，同声程同孔径的回波 p D 声压差为 20 lg p 20 lg 如果孔径为2mm,波长为2.34mm,有
3.3 聚焦声场 二.聚焦探头类型 主动式：直接产生会聚声场 曲面自聚焦型－球（柱）形晶片 被动式：通过改变声程的长度，将平面 波汇聚 声透镜聚焦型－平晶片与声透镜结合 反射镜聚焦型－平晶片与反射镜结合 无衍射聚焦型－分区加权激励 电子聚焦型－控制激励时间
3.3 聚焦声场 1、凹球面聚焦 球面的一部分；换能器阵排列成球面 聚焦点：球心附近。 由于声的衍射和超声聚焦系统的不规 则等原因，形成复杂的聚焦区。
声学检测技术
第3章 辐射声场与规则体的回波声压 3.3聚焦声场 一.两种工件水浸法探伤 平板工件水浸自动检测 圆柱形工件水浸自动探伤
3.3 聚焦声场 聚焦探头的作用: 将超声能量聚焦到一定的强度，使物 体产生物理或化学上的质的变化-大功率 超声； 使声压振幅强制增加，改善特定区域 的分辨率。 聚焦方法：使探头发射的声波在介质传 播，形成球面形或圆柱面形的波阵面， 最后会聚到声轴线上的某一点上。
结论： 距离增加一倍，回波下降6分贝。
pB1 x2 12 20 lg 20 lg pB 2 x1
p0 FS pB 2 x
3.4规则反射体的回波声压 大平底与同距离平底孔的回波声压差
p0 FS pB 2 x
pf
px Ff
p0 FS pB 2 x 2 x p0 Fs F f D 2 pf f 2 x 2
p0 Fs pf 2x Df 2x
3
D f 1 x2 p1 12 20 lg 10 lg 3 p2 D f 2 x1
结论： 孔径一定，距离增加一倍，回波下降9分贝； 距离一定，孔径增加一倍，回波升高3分贝。
x
3.4规则反射体的回波声压 四.短横孔 孔的长度小于声束直径。
p0 Fs ls pf x 2 x Df x
3.3 聚焦声场 结论： 在一般的聚焦探头中存在复杂的干涉 区域； 振子（透镜）与焦点之间的声场，相 当于平面振子的近场，焦点表示近场的 末端； 平面振子的近场，由于声束聚焦而变 短，使焦距大于近场长度在原理是不可 能的。
3.3 聚焦声场 焦点的大小 运用几何声学的观点，声束会聚于一 个点-焦点。 实际焦点：有一定长度和宽度。 原因： 运用波动学观点，声波在焦点附近产 生干涉； 声波在声透镜中传播存在声程差。
3.4规则反射体的回波声压
空心圆柱体与同声程平底孔的回波声压差 凹面反射时，声压比为：
p0 FS R pB 2x 2 x r p F F pf D 2 0 s f f 2 x 2 R r
分贝数为：
Bf
pB 2x 20 lg 20 lg pf D 2 f
R 2x R 20 lg 10 lg 2 r D f r
第2章 辐射声场与规则体的回波声压 二.平底孔 当声程大于3N时，在平底孔处 产生的声压为
p0 FS px x
D
平底孔可当作新的声源 在探头处产生的声压为
pf px Ff
x
x

p0 Fs F f
x
2
2
第2章 辐射声场与规则体的回波声压 两个平底孔的波高比 H f 1 x2 D f 1 2 2
结论： 与大平底回波声压相同。
3.4规则反射体的回波声压 空心圆柱体 外圆检测－凸面反射 凸面反射波小于同 距离大平底的反射波 内圆检测－凹面反射 凹面反射波大于同距 离大平底反射波
p0 FS pB 2x D d
p0 FS pB 2x d D
3.4规则反射体的回波声压
空心圆柱体与同声程平底孔的回波声压差 凸面反射时，声压比为：