横波斜探头实际声场的上下半扩散角计算分析

    1 概述

    横波斜探头的实际声场存在着上下和左右两组半扩散角,左右半扩散角数值相等,计算过程比较简单,对于上下半扩散角的计算,在超声波探伤教材中,也给出了计算公式,但其中需要记忆的公式比较多,且比较复杂。本文通过分析半扩散角产生原因,得到了一种比较简单的计算方法,并与教材中的计算过程进行了比较分析,证明用该计算过程有利于理解上下半扩散角的含义,且计算过程更加简单。

    2 传统计算方法

    目前常用的横波斜探头,是使纵波倾斜入射到界面上,通过波型转换来实现横波探伤的。当纵波入射角AL=AÑ~AÒ时纵波全反射,在第二介质中只有折射横波。横波探头辐射的声场由第一介质中的纵波声场与第二介质中的横波声场两部分组成,两部分声场是折断的,如图1所示。

   在超声波探伤教材中,把存在于第一介质中的纵波声场假想为一横波声源发出的横波声场,并根据这一假设,对声场的轴线声压、近场区长度、半扩散角进行了分析计算,给出了计算公式,其声压与近场区长度的计算公式,由于有推导过程,比较容易理解;但上下半扩散角的计算公式,没有推导过程,且给出的公式很复杂,不利于理解和记忆,所给出的计算公式如下:

    式中所有参数的含义见图2。

    由以上公式可看出,因其所包括参数较多,且不容易理解,按其进行计算,过程很复杂,不利于掌握。下面以教材上例题的计算过程进行分析计算。

    例:用2.5 MHz、<12 mm K2横波斜探头探测钢制试件,已知探头中有机玻璃纵波声速CL1=2 730m/s,钢中纵波声速Cs2=3 230 m/s,求钢中纵波声场的半扩散角。

    解:有机玻璃中的纵波波长1.09 (mm)

    钢中的横波波长

    过轴线与入射平面垂直的平面内

    入射平面内半扩散角Hs、Hx:

    由K=tgB=2,得:B=63.4b

    3 简便计算方法

    从上面的计算过程可以看出,因为计算中用到的参数比较多,如果不注意很可能造成计算结果的错误。半扩散角产生的原因是纵波声场在第一介质中存在扩散现象,由于纵波半扩散角造成其入射角不同,所以应该可以利用这一概念来计算横波声场的上下半扩散角,见图3,计算过程如下。

    4 结束语

    由计算结果可知,两种计算方法所得到的结果是一样的,但是比较而言,教材上的计算过程中用到了许多公式,并且没有给出公式的推导过程,所以不利于理解和记忆;在后面的计算过程中,并没有用到教材上面的公式,而是通过对声场结构的分析,利用简单的几何关系进行分析与计算,可以避免因公式的死记硬背造成的计算错误。