脉冲波声场的数值计算与测试研究(1)

2004年第18卷第2期测试技术学报V ol.18　N o.2　2004 (总第48期)JOURNAL OF TEST A ND MEASUREMENT TEC HNOLOGY(Sum N o.48)

文章编号:1671-7449(2004)02-0095-04

脉冲波声场的数值计算与测试研究

彭应秋,李　坚,李秋峰,卢　超,郑初华,陈兵芽

(南昌航空工业学院测控系,江西南昌330034)

摘　要:　针对超声检测中影响缺陷定量准确性的声场问题进行了深入讨论,研究了脉冲波声场的计算方

法,设计了相应的计算软件并绘制出实用换能器声轴线上的声压分布曲线,分析了不同材料和厚度的采样

回波对频谱的影响,比较了连续波声场和脉冲波声场的分布特性及异同点.对脉冲波声场的测试结果表明,

数值计算和实测结果有较好的一致性.本研究结果为提高超声检测中缺陷定量的准确性和科学性提供了依

据.

关键词:　声场测试;超声检测;脉冲波声场;声压分布;缺陷当量;超声换能器

中图分类号:　O422.2;O426 文献标识码:A

Computerizing and Measuring for Acoustic Field of

Pulse Ultrasonic Wave

PEN G Ying-qiu,LI J ia n,LI Qiu-feng,LU Chao,ZHENG Chu-hua,C HEN B ing-y a

(Nanchang Institute o f Aero na utical T ech no lo gy,N ancha ng330034,China)

Abstract:　The aco ustic field character o f the ultrasonic pulse w av e in ultraso nic testing is discussed deeply.It is know n tha t th e field cha racter influences g reatly on the accuracy o f flaw equiv alent in the testing.The m ethod of calculating the acoustic field o f pulse ultraso nic wav e is researched a nd the rela-tiv e special-purpose so ftw are is designed;the distributio n of aco ustic pressure o n axis of the com mercial ultraso nic transducer is calculated and plo tted in the lig ht of computer a nd the softwa re.It is discussed that spectrum of the bo ttom echoes ho w to be influenced by materials a nd thickness.The aco ustic field cha racter o f the pulse wav e radia ted by the co mmercial transducer is com pared w ith that o f ideal co ntinu-ous m ono-frequency wav e.The acoustic field of the pulse wav e source is measured,the m easuring v alue is in acco rdance with the calculating results o n the who le.The results provide scientific basis fo r im-provements o f accuracy o f flaw equiv alent in ultrasonic testing.

Key words:measuring for acoustic field;ultraso nic testing;aco ustic field of ultraso nic pulse w av e;dis-tribution o f acoustic pressure;flaw equiv alent;ultrasonic transducer

在实际超声检测中,人们普遍使用的是多频脉冲波而不是单频连续波.众所周知,多频脉冲波的声场不同于单频连续波的声场.但两者究竟有多大程度的不同,对缺陷当量的确定有多大影响,则缺乏定量的研究.本文着重研究这两种声场的异同点及其对缺陷定量的影响,介绍了一种对脉冲波声场进行快捷分析的新方法.测试了实用换能器发射的脉冲波声场并与理论计算结果进行了比较.

1　连续波声源声轴线声压分布

超声检测中常使用纵波法,纵波探头大多使用圆晶片,这样的声源简称圆盘源,圆盘源幅射单频连续波时,其声轴线上的声压振幅[1,2]

收稿日期:2003-09-23

　基金项目:航空科学基金资助项目(01G56003);江西省测控研究中心基金资助项目(2001.007)

　作者简介:彭应秋(1945-),男,教授,主要从事声场、超声检测、超声换能器等方面的研究.

P (z )=2P 0sin

πλa 2+z 2-z ,(1)

式中:P 0=d CU 0;d C 为传声介质的特征声阻抗,其值等于介质密度d 和声速C 的乘积;U 0为声源振动时图1　连续波声轴线上的声压分布

Fig .1　Acous tic amplitud e dis tribu tion on axis of a circular

plane pis ton emitting con tin uous wave 的速度振幅.在一定辐射条件下,P 0可看作常数;λ为

介质中的声波波长;a 为圆盘声源半径;z 为观察点至

声源中心的距离.

图1是某圆盘源幅射单频连续波时,声轴线上的

声压分布曲线.图1中N 为近场长度,当a λ时

N ≈a 2/λ.(2)

由式(1)和图1可见,当声源及介质一定时(即P 0,λ,a 为常数时),入射至观察点的声压是距离z 的

正弦函数,在近场区内,声压最大值为2P 0,最小值为

0,其变化范围为0～2P 0之间.由此不难推断:对单频连续波而言,即使两个完全相同的缺陷,如果位于不同距离z 处,其回波高度也会有相当大的差异.这就会给缺陷定量带来误差.

由图1可见,当z >N 时,声轴线上的声压振幅P (z )随距离z 单调下降,不再有起伏波动.当z ≥3N 时,声轴线上的声压[3]

P (z )=P 0F /λz ,(3)

式中:F =πa 2为声源面积.

式(3)是超声检测中用以推导规则反射体回波声压的基本公式,是超声检测中缺陷当量计算的基础.

当缺陷位于N 与3N 之间时,用计算法确定缺陷当量就会有相当大的误差,距离越近,误差越大.例如,当声程z =N 时,由式(1)可求得此处的声压P (z )=2P 0,但若用远场式(3)计算,则可得此点的声压为πP 0,其误差高达57%,这显然是不能接受的.

实际超声检测中基本上是使用多频脉冲波,此时在远场中使用单频连续波的公式是否合理,其近场有何特性,能否对多频脉冲波的声场进行数值分析,是人们最关心的,也是本文研究的重点.

2　脉冲波声源的声场分布

非重复的脉冲波是一种瞬态扰动,瞬态扰动f (t )可看作无限多个谐扰动g (k )的叠加,即[4]

f (t )=∫∞

-∞g (k )e j k t d k ,(4)

式中:g (k )为f (t )的谱密度函数或频谱函数.

相对于某个指定频率k ,其g (k )的模值可看作该k 处的幅度,因此g (k )函数的模称为f (t )的幅度谱.求解g (k )的过程称为频谱分析,其值可通过式(6)的反演得出,即

g (k )=12π∫

∞-∞f (t )e -j k t d t .(5) 在f (t )即脉冲波的时域波形已知的情况下,通过快速傅立叶变换(FFT),可由计算机求出g (k )的值,从而得到相应于不同频率的幅度分布曲线,即频谱曲线,如图2所示.图2是对某国外直探头(标称

f 为5M Hz 、r 为0.25

″)的频谱分析结果.由图2可见,其中心频率偏离标称频率达20%.因频谱曲线中相对于每个频率的g (k )分量都会对该声源的声场做出贡献,故声轴线上的总声压P (z )为各分量P i (z )的合成:设该脉冲波声场中某点的总声强为I ,各分量在该点的声强为I i ,则i = n i =1I i ,又因为P = n

i =1

P 2i ,故声轴线上某点的声压P (z )可表示为[3]P (z )= n i =1P

2i (z ),(6)

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