超声波参数对平底孔回波声压探测的影响

　　0　引言

　　在超声探伤中，为了确定工件中缺陷的大小，特别是点状缺陷的大小，常用的探伤反射法[1]因缺陷的形状和性质不同，使缺陷的真实大小和形状变得难确定。而当量法[1]是用相同条件下的自然缺陷回波和人工反射体回波比较，当这两种反射回波等高时，认定人工缺陷的尺寸是自然缺陷的当量尺寸。对于规则反射体，目前缺陷状况对缺陷回波高度影响的分析更偏重于实验分析和经验分析[2-4]。而本文的目的是以理论为依据，建立超声波声轴线对平底孔缺陷的回波声压模型，分析得到回波声压的影响因素。探伤人员在实践经验基础上，再加上理论的指导，使缺陷定量更准确。

　　一个完整的超声测量理论模型包括探头发射声场计算、发射声场与缺陷相互作用计算及缺陷回波声场计算[5]3个步骤。针对平底孔缺陷检测对象，本文从点声源到声轴线一点处的声压出发，利用菲涅尔近似理论得出声轴线的发射声场，进而得出平底孔反射体的回波声压，并分别得出平底孔尺寸、平底孔深度、声源尺寸、发射频率对平底孔回波声压及回波分贝数的影响关系。

　　1　理论原理及模型

　　1.1　声轴线发射声压模型

　　在超声检测中，当反射体条件不变时，其最大回波声压主要取决于声轴线上的声压分布。图1为声源轴线上声压示意图。由图可看出，圆盘声源中心为坐标原点，声源半径为a，过中心的轴线为z轴，Q点处的总声压为[6]

　　式中：k为波数;ρ0为介质的密度;c0为声速;ua为声源振动波面的振动速度;ρ为极径;h为观察点到声源上任意一点的距离;ω和t分别为角频率和时间。

　　对于固定的z值，2πρdρ=2πhdh，代入式(1)可得声压的振幅分布函数为

　　式中p0=ρ0c0ua为初始声压。观察式(2)可以得到，时，声压具有最小值。该位 置 声 压 振 幅１）个值。ｎ＝０为距声源最远有一个最大值，得 Ｎ＝称为近场长度。在近场长度以内由于声源各点到轴线上某点的距离不同，相互叠加时存在相位差且相互干涉，使某些地方声压相互加强，而另一些地方声压相互减弱，于是出现声压极大、极小值的点。大于近场长度的区域即远场区域，当轴线长度远远大于声源尺寸时（ｚａ），由菲涅尔近似［７］可得总声压近似为

　　式中：Fs=πa2为声源的面积;λ为波长。图2为声源轴线声压分布图。由图可知，出现最后一个极大值的位置 N 具有特别重要的意义，它可看作声源辐射从近场过渡到远场的分界线。由于近场区存在极大、极小值，处于声压最大值处较小缺陷可能回波较高，而处于声压较小值处的较大缺陷可能回波较低，这样就可能引起误判，因此超声波探伤中重视避免近场区定量。当z>3　N 时，轴线上的声压与距离成反比，声场轴线上的声压均可按照球面波声压公式