徐海洋超声波检测技术学习笔记(八)

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徐海洋超声波检测技术学习笔记（八)

超声波探伤中声场特性与探头选择分析

深入探讨超声波探伤中近场区、远场区特性，声压分布规律，以及不同探头在实际检测中的应用效果和选择策略。

核心声场特性分析

近场区特性

高风险

声压分布不均匀，存在极大值和极小值

• 距离声源0.5N以内区域干涉现象严重

• 声压极大值和极小值交替出现

• 近场长度计算公式：N = D²/4λ

• 缺陷检测容易引起误判和漏检

远场区特性

推荐使用

声压随距离增加单调递减

• 距离大于N以外的区域

• 声压与距离平方成反比

• 干涉现象可以忽略不计

• 缺陷定量检测更加准确

波阵面特性

技术要点

不同距离波阵面声压分布规律

• 圆形声源形成环形波阵面

• 存在多个声压为0的圆环

• 半扩散角θ₀决定检测范围

• 未扩散区长度：1.64N

探头选择与应用案例

2.5PΦ20探头

常用配置

• 近场长度：42.1mm

• 未扩散区长度：69.04mm

• 半扩散角：8.32°

• 锻件检测要求厚度大于3倍近场长度

5PΦ20探头案例

失败案例

30-40mm钢板检测失败分析

• 5PΦ20探头近场长度：84.2mm

• 30-40mm厚度位于1/2近场附近

• 主声束声压为0，存在3个声压为0的圆环

• 无法有效检测缺陷

核心结论：超声波探伤必须避免在近场区进行定量检测，应选择合适探头确保检测区域在远场区，锻件检测要求厚度大于探头近场长度的3倍以上。

围绕超声波探伤中超声场的特性、探头参数选择、相控阵探伤方法以及探伤方式优化等内容展开详细讲解，旨在帮助学员深入理解超声波探伤原理和实际应用技巧，内容如下：

• 超声场的近场区与远场区

• 声压变化规律：声轴线上至声源距离大于 N 的区域为远场区，远场区声轴线上的声压随距离增加开始缓慢下降，当距离足够大时，声压与距离的平方成反比，且不会出现极大值、极小值。

• 探伤优势：在 3N - 6N 区域，声压变化幅度较小，对工件缺陷定量更准确，因此锻件探伤要求被检厚度大于探头近场长度的 3 倍。

• 声压分布不均：声源附近，因声源各点到轴线上某点距离不同，存在声程差和相位差，导致声压互相干涉，在 0.5N 以内出现极大值、极小值，此区域称为超声场的近场区。

• 探伤影响：近场区声压极大值、极小值与仪器自身始波宽度混合，使主和始波形状不规整，探伤时较大缺陷回波可能较低，较小缺陷回波可能较高，易引起误判和漏检，应避免在此区域探伤和定量。

• 近场区特性

• 

• 远场区特性

• 超声场不同距离波阵面上声压分布

• 近场区：在 1/2 近场位置，主声束上圆心的声压为 0，随着半径不同，声压有大有小；在 N 位置，声波能量往主声束集中，1.64 倍近场时完全集中到主声束。

• 波阵面圆环特性：每个波阵面由若干个圆环组成，同一圆环上声压相等，不同半径圆环声压不同。在实际检测中，应在 2 倍近场以外进行缺陷定位与定量，或确定斜探头 k 值。

• 波阵面概念：超声波从声源向远处发射，波阵面可看作是一个个平行排列的圆形，每个波阵面间隔一个波长，能量通过波阵面的碰撞向远处传递。

• 不同距离波阵面声压分布

• 波束的指向性和半扩散角

• 指向性概念：声源前充分远处任意一点的声压级与声源轴线上距离处声压之比称为指向性，虽公式复杂，但只需关注结果。

• 半扩散角特性：圆形声源发射超声波存在半扩散角 θ₀，以主声束为轴，上下各有一个 θ₀，在 2 倍 θ₀ 以内声压较高，缺陷在此范围内才能被发现。此外，声源发射的超声波还有负半波，其能量在实际超声检测中需综合考虑。

• 探头参数与探伤案例

• 案例一：某容器厂家用 5P φ20 探头检测 30 - 70mm 厚的 Q345B 钢板，发现大片超标缺陷，而检测公司用同样探头复验未发现缺陷。原因是 5P φ20 探头一倍近场长度为 84.2mm，30 - 40mm 厚钢板在 1/2 近场附近，声压存在多个为 0 的圆环，导致探头难以检测到缺陷。

• 案例二：二级考委会提供 2.5P φ20 探头检测 100 - 130mm 厚的锻件，130mm 厚锻件接近底面 4mm 位置发现面积小于生产截面积的缺陷可定量计算；若检测 110mm 厚锻件，在 80mm 位置发现类似缺陷，需考虑能否用当量计算法。

• 探头参数计算：以 2.5P φ20 探头为例，计算其近场长度、半扩散角和未扩散区长度。近场长度 n = d² / (4λ)，其中 d 为晶片直径，λ 为波长；半扩散角可通过公式计算；未扩散区长度为 1.64 倍近场长度。

• 探伤案例分析

• 探头消声槽与不同声源辐射声场

• 平面矩形声源：方形或长方形的平面矩形声源向外发射超声波，存在上下扩散角，若垂直发射，波阵面为方形。实际探伤中，纵波双晶探头常用方形镜片。

• 点状声源：相阵探头中尺寸较小的方形晶片可看作点状声源，其发射的超声波波阵面为球面，多个点状声源按一定规律排列形成阵列，可通过延时法控制各阵面形状，调节声场，有利于提高检测力度。

• 片状声源：片状声源可按不同形式排列，在一个探头上可形成多种声场形式，无需更换探头，便于适应不同工件探伤需求。

• 消声槽作用：斜探头尖端的消声槽可消除负半波，尤其是主声束上边部分的负半波；还可消除探头斜楔内部反射的纵波和横波，减少对探伤的影响。

• 不同声源辐射声场

• 声波声场近场区在两种介质中的应用及实际与理想声场比较

• 水浸探伤原理：将零度纵波探头的近场置于水中，使进入钢板厚度范围以内的超声不存在近场区域问题。通过计算探头形成的近场长度，确定水层厚度，可避免近场对探伤的影响。

• 实际与理想声场差异：理想声场声源是非均匀激发的，实际探伤中近场的声压极大值、极小值小于理想声场，但仍会对探伤结果产生影响。如上述 30 - 70mm 厚钢板探伤案例，实际声场的近场情况影响了探伤结果。

今晚八点，腾讯会议：

47013标准规定锻件探伤厚度≦45mm 时使用纵波双晶直探头的理论依据是什么？

是什么限制了双晶纵波斜探头其探伤奥氏体不锈钢焊接接头的厚度？

带着这些问题参加晚上的课程，学习效果会更好，白天自己先思考。