徐海洋超声波检测技术学习笔记(九)

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徐海洋超声波检测技术学习笔记（九)

超声检测中实际声场与理想声场的差异分析

探讨实际超声检测中声场特性与理想声场的差异，重点分析横波声场特性、聚焦声源应用及探头选择原则。

核心内容分析

实际与理想声场差异

• 实际声场为脉冲波，产生不完全干涉

• 声源非均匀激发，中心振幅最大

• 固体介质中声压叠加干涉小于液体介质

• 近场区声压变化幅度小于理想声场

横波声场特性

• 实际圆形声源变为椭圆形假想声源

• 近场长度与波长成反比，与声源面积成正比

• 上下半扩散角不相等，上半大于下半

• 正方形晶片产生长方形声场，圆形晶片产生椭圆形声场

聚焦声源应用

• 明显减少近场长度，解决近表面检测问题

• 单晶聚焦声场为圆柱形

• 有效探伤区域约20毫米

• 频率越高，聚焦半径越小，灵敏度越高

探头选择原则

• 横波探头避免使用长方形晶片

• 普通碳钢焊缝很少使用纵波斜探头

• 车轴疲劳裂纹检测使用圆形晶片小角度纵波斜探头

• 随着工件厚度增加，晶片尺寸需相应增大

计算公式要点

• 横波近场长度：N = FS × cosβ / (π × λS2 × cosα)

• 剩余近场长度：N′ = N - L2

• L2 = L1 × tanβ

• 聚焦声场直径计算公式需考虑频率影响

检测注意事项

• 避免在近场区进行检测

• 横波能量更集中，扩散角小

• 奥氏体不锈钢检测受频率限制

• 聚焦半径不能随厚度任意增加

核心结论：实际超声检测中需充分考虑声场特性差异，横波探头选择应避免长方形晶片，聚焦声源可有效解决近表面检测问题，但奥氏体材料检测受频率限制需特别注意。

围绕超声探伤中的声场特性、探头设计与应用以及相关公式的应用等内容展开详细讲解，内容如下：

• 声场特性分析

• 非均匀激发：实际声场的声源是非均匀激发的，如斜探头里的压电晶片，中心振幅大，四边振幅小，不同位置发射的超声波能量有差别，主声束在声源中心位置，这是探伤缺陷定位定量采用主声束的原因。

• 焊点干扰：压电晶片表面镀银层焊接引线的焊点会阻碍晶片振动，产生非均匀激发，影响信噪比和灵敏度，是产生噪声的因素之一。

• 理想与实际声场差异：理想声场是连续波波源各点辐射的声波在声场中某点产生完全干涉，而实际常用的是脉冲波，声源各点辐射的声波在声场中某点产生不完全干涉或不产生干涉，导致实际声场近场区轴线上声压变化幅度小于理想声场，声压极大值、极小值也更小。

• 介质对声压叠加的影响：理想声场在液体介质中分析，液体内某点压强各方向相同，声源各点声压可线性叠加；实际检测对象多为固体，声源某点在固体中某点引起的声压方向在两者连线上，轴线方向声压分量叠加干涉小于液体介质，使实际声场近场区轴线上声压分布更均匀。

• 近场区声压分布

• 声源激发情况

• 横波发射声场研究

• • 应用问题：横波进场长度公式在日常探伤工作中应用较少，主要原因是公式中的 \(L_1\)（超声波在斜楔里走过的距离）未知，但通过已知镜片尺寸和纵波入射角可计算得出。

• 原理：将实际圆形声源通过几何计算转换为椭圆形假想声源，使横波传播方向与假想声源在一条直线上，便于分析横波发射声场。

• 重要性：实际声源与假想声源的转换对后续研究横波声场结构和计算声压变化等具有重要意义。

• 假想声源转换

• 横波近场区长度计算

• 探头设计与近场规避

• 晶片尺寸选择：随着工件厚度增加，压电晶片尺寸逐渐增大以躲开近场。如工件厚度从 7 - 26 mm 变化时，压电晶片尺寸从 6×6 到 8×8、9×9 后跳跃到 13×13，9×9 以下的小镜片探头不能做成低频，而随着工件厚度增加，频率越高衰减越大，所以要合理选择晶片尺寸。

• 探头结构设计：探头斜楔用有机玻璃制作，为控制超声波在斜楔里走过的距离，同时保证探头使用时间，压电晶片下边缘到探头外表面有 2.5 mm 的距离。

• 半扩散角比较

• 横波斜探头计算：以 2.5 MHz、K2 横波斜探头检测钢制工件为例，计算得出钢中横波声速、折射角度、纵波入射角等参数，进而算出上半扩散角为 14.6°，下半扩散角为 4.3°。

• 纵波直探头计算：以 2.5P Φ 12K2 纵波直探头检测钢零件为例，计算出纵波声场在钢中的半扩散角为 13.9°。通过比较可知，横波能量更集中，发现缺陷的概率更高，灵敏度也更高。

• 扩散角特点：纵波声场的上下半扩散角相等，而横波斜探头的上下半扩散角不相等，上半扩散角大于下半扩散角。

• 声场形状影响：斜探头使用正方形压电晶片时，在被检工件中的声场变成长方形；使用圆形晶片时，声场是椭圆形；使用长方形晶片时，声场不利于覆盖缺陷面积，所以斜探头在无特殊要求时尽量不用长方形晶片。

• 横波与纵波差异

• 案例计算分析

• 聚焦声源发射方法

• 聚焦方式：单晶聚焦声场分为液浸聚焦和接触聚焦，常用的单晶聚焦探头是将压电晶片做成带曲率的，放到凸曲率球芯上，使超声波折射形成聚焦声场。

• 声场形状与参数：圆形压电晶片形成的聚焦声场是圆柱形，声场直径越小，灵敏度越高；聚焦长度有限，声学检测行业以主声束上聚焦点为基准降低 -6 dB 的区域作为声束半径计算依据，该区域包含约 84% 的声能量，具有较高分辨率和检测灵敏度。

• 频率与聚焦半径关系：声源尺寸与聚焦半径不变时，频率越高，聚焦半径越小，检测灵敏度越高，但对于奥氏体不锈钢焊接接头等粗晶材料，考虑信噪比与检测灵敏度，不能随意增加频率。

• 聚焦半径限制：随着被检工件厚度增加，聚焦半径不能任意增大，否则会影响聚焦探头的检测效果，这涉及到奥氏体不锈钢焊缝检测标准的相关问题。

• 聚焦探头优势：常规纵波或横波声场存在近场干涉问题，影响检测效果，而采用聚焦理论制作的直接接触式聚焦直、斜探头可明显减少近场长度，解决工件近表面和较小工件探伤问题。