超声检测中的声场特性及应用分析

　　超声检测缺陷当量是根据缺陷回波幅度及距离-波幅关系确定的,其中缺陷回波幅度除与缺陷本身的反射特性有关外,还正比于缺陷处的入射声压。在各文献中有关缺陷当量的计算公式(如平底孔、横孔和球孔当量)都是在单频连续波远场声压公式的基础上推导出来的,并得到广泛应用。

　　但在实际超声检测中,人们普遍使用的是多频脉冲波而非单频连续波。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,迄今仍缺乏定量的研究。以下着重研究这两种声场的异同点及其对缺陷定量的影响。

　　1　连续波声源声轴线声压分布及误差分析

　　以超声纵波探伤为例,其探头大多使用圆晶片,这样的声源简称圆盘源,圆盘源辐射单频连续波时,其声轴线上的声压振幅P(z)可用下式表示^[1,2]

　　式中　P ₀=ρCU ₀

　　ρ C———传声介质的特征声阻抗

　　ρ———介质密度

　　C———声速

　　U ₀———声源振动时的速度振幅

　　λ———介质中的声波波长

　　a———圆盘声源半径

　　z———观察点至声源中心的距离

　　在一定辐射条件下,P ₀可看作常数。图1是某圆盘源辐射单频连续波时,声轴线上的声压分布曲线。图中N为近场长度,

　　由式(1)和图1可见,当声源及介质一定时(即P ₀,λ和a为常数时),入射至观察点的声压P(z)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。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,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P(z)可近似用下式计算^[3]

　　式中　F———声源面积

　　F=πa ²

　　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,可以说是超声检测中缺陷当量计算的基础。

　　当缺陷位于N~3N时,用计算法确定缺陷当量会有很大误差,距离越近,误差越大。例如,当声程z=N时,由式(1)求得此处声压P(z)=2P ₀,但若用远场公式(3)计算,则可得此点的声压为πP ₀,误差高达57%,这显然是不能接受的。

　　为了解远场声压公式(3)计算声压时的误差程度,对式(1)中的正弦函数作一级近似,