超声平面非聚焦探头的声场特性

　　1　概述

　　为了定量分析材料中缺陷的形状、尺寸,目前主要采用的超声定量探伤方法一是对小于声束截面的缺陷,采用比较缺陷回波和标准孔回波高度来大致判断缺陷的大小,此法难以获得实际的缺陷特征,所得结果和实际值有较大差别(当量法);二是对大于声束截面的缺陷,采用比较探头移动时,缺陷波的高度变化(即6 dB法或20 dB法)判断缺陷的大小。要提高定量探伤的灵敏度和精度,主要使超声声束在缺陷处尽可能集中,或者说把探头的焦点放在缺陷处。若预先知道探头发射声束的焦柱区的位置和大小,将有益于正确评估材料的性能,探头的直径、频率等参数都可改变声束的特性,这种特性可以通过试验方法获得。本文通过对平面非聚焦探头的声场分析得出一些公式,用来估算探头在不同直径、频率下的焦点特性。

　　2　平面非聚焦探头的声场

　　设在无限大平面障板上嵌有一个半径为a的圆形平面活塞,静止时活塞表面与障板表面在同一平面上,当活塞以速度u=uoejωt振动时,就向障板前面的半空间辐射声波(见图1)。取活塞中心为坐标原点,活塞所在的平面xy平面。因声场相对z轴是旋转对称的,因此可以设声场中的观察点B就位于yz平面内,它离原点的距离为r,位置矢置r与z轴的夹角为θ。

　　现设想将活塞表面分成无限多个小面元,每一个小面元都看作是一个点源。例如位于极径r与y

　　轴夹角为 处的面元ds,其点源强度为dQ=μods,该面元在观察点B产生的声压为:dp=j(kρc/2πh)μodsej(ωt-kh)

　　这里h是从面元ds到空间中观察点B的距离,将所有这些点源辐射的声波迭加起来。也就是对ds积分,就可以得到整个活塞的辐射声压为

　　其中ds=RdRd ,被积函数中h是R及 的函数

　　(1)远场区

　　对于r a时区域h=r-Rcosα　这时积分(1)有解

　　G(θ)称为活塞声源的指向性函数,它随θ的变化规律反映了声源的指向特性

　　当kasinθ=3.83时(kasinθ=3.83是贝塞尔函数的第一根)可得:

　　声束的半扩散角θ0

　　θ0= sin-1(0.61λ/a) = sin-1(1.22λ/a)

　　(2)近场区

　　在这个区域只计算沿oz轴的声压,积分(1)有如下解

　　P0是最大声压,其分布由图3表示

　　当P=P0时最大,这时的距离通常称近场距离N=a2/λ=D2/4λ

　　3　平面非聚焦探头的聚焦特性确定

　　探头声束宽度,通常取中心轴线上声束强度下降到半功率点的对应宽度,即声束直径方向对应于轴线声压下降到0.707处所对应的声束宽度。由于超声波80%能量集中在比轴线声压小3 dB的范围内,在此范围内声压值较大,对缺陷发现较敏感,在此范围以外缺陷反射声压很小难以发现。所以,通常焦点的边界处声压下降0.707,也就是说焦点的边界处声压下降一半,高于这个值可以认为是能量较为集中的区域。