交通強國·鐵路先行

超聲場結構交通強國·鐵路先行一、縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布二、橫波斜探頭聲場上的聲壓分布三、直探頭縱波聲場結構

五、聚焦探頭聲場結構四、斜探頭橫波聲場結構目錄縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布（1）交通強國·鐵路先行將圓盤波源看成活塞波聲源，圓盤上各點以同相位、同速度的簡諧振動輻射聲能，通過對圓盤聲場建模（左圖），可以看成是無數多個面積為ds的小面積元組成，每個小面積元都向空間輻射球面波的點聲源，通過微積分運算，得到波源軸線上的聲壓幅值P。式中P0為聲源聲壓，D為聲源直徑，λ為波長，X為離聲源的軸線距離。1、縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布

2、橫波斜探頭聲場上的聲壓分布

3、直探頭縱波聲場結構4、斜探頭橫波聲場結構

5、聚焦探頭聲場結構縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布（2）交通強國·鐵路先行根據牛頓二項式：所以：遠距離時，當θ很小時，sinθ=θ，1、縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布

2、橫波斜探頭聲場上的聲壓分布

3、直探頭縱波聲場結構4、斜探頭橫波聲場結構

5、聚焦探頭聲場結構縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布（3）交通強國·鐵路先行注意：從上式可知，在遠距離時，聲壓隨著距離的增大而減少，但是在靠近聲源附近時，由于波的干涉，出現了一系列聲壓極大值和極小值區域，這一區域稱為近場區，近場區長度N。波源軸線上最后一個聲壓極大值到波源的距離，時，聲壓有極大值。

當n=0，聲壓的最后極大值出現的聲程，

式中A為晶片面積。1、縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布

2、橫波斜探頭聲場上的聲壓分布

3、直探頭縱波聲場結構4、斜探頭橫波聲場結構

5、聚焦探頭聲場結構縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布（理想中）交通強國·鐵路先行當時，聲壓有極小值，

當n=1、2、3、4.........對應的聲程約為N/2、N/4、N/8，注意聲源軸線上最后一個聲壓為0的距離為N/2。理想中圓盤聲源（指一種圓平面狀的振子）輻射的縱波聲場軸線上的聲壓分布規律如右圖所示。1、縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布

2、橫波斜探頭聲場上的聲壓分布

3、直探頭縱波聲場結構4、斜探頭橫波聲場結構

5、聚焦探頭聲場結構縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布（實際）交通強國·鐵路先行1、縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布

2、橫波斜探頭聲場上的聲壓分布

3、直探頭縱波聲場結構4、斜探頭橫波聲場結構

5、聚焦探頭聲場結構簡化計算時假定聲源是均勻、連續激發的，而實際探頭多是非均勻激發的脈沖波源；簡化計算時假定介質為液體介質，實際檢測多為固體介質；激勵脈沖包含多種頻率，每個頻率的信號激發的聲場相互疊加，使總聲壓趨于均勻。對實際聲場的研究結果表明，兩者主要差別在近場區的聲壓分布，簡化計算中近場區聲壓有多處極大值和極小值，而實際聲場（左圖）近場區聲壓分布較為均勻，幅值變化小，極值點的數量也明顯減少。雖然兩者近場區差異較大，但是遠場區是基本符合的，可以利用簡化推導結果在實際檢測中進行近似的計算。帶有延遲塊直探頭第二介質中近場區計算交通強國·鐵路先行1、縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布

2、橫波斜探頭聲場上的聲壓分布

3、直探頭縱波聲場結構4、斜探頭橫波聲場結構

5、聚焦探頭聲場結構首先要把有機玻璃的延時塊想象成鋼做的，兩者之間有個速度差，折算后的有機玻璃厚度為，L為有機玻璃厚度，C1為縱波在有機玻璃里面傳播的速度，C2為縱波在鋼中傳播的速度，鋼中剩余的近場區長度N’為，λ為鋼中的波長,A為晶片面積。橫波斜探頭聲場上的聲壓分布交通強國·鐵路先行橫波探頭輻射聲場（左圖）由第一介質中的縱波聲場和第二介質中的橫波聲場兩部分組成，將一介質中的縱波聲源（面積為A）轉換為第二介質中的假想橫波波源（面積為A0），整個聲場可視為由假想橫波波源發射出來的連續的橫波聲場。由于聲源波的干涉，橫波聲場存在近場區和遠場區。近場區：第二介質中近場區長度式中，α為入射角，β為折射角，λ為波長，L為入射點至壓電晶片的距離。1、縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布

2、橫波斜探頭聲場上的聲壓分布

3、直探頭縱波聲場結構4、斜探頭橫波聲場結構

5、聚焦探頭聲場結構直探頭縱波聲場結構交通強國·鐵路先行超聲場結構：探頭發出的超聲波能量并不均勻，主要集中在一個錐形區域內，此區域稱為主聲束，當缺陷位于主聲束范圍內時，才容易被發現，并且主聲束同一截面上各點聲壓并不相同，以軸線上聲壓最高，稱為主聲軸，在實際探傷過程中，當主聲軸與缺陷垂直時，缺陷回波最高，據此可對傷損進行精確定位。主聲束邊緣聲壓為零，主聲束以外的超聲波能量很低，傳播距離小，所以常在波源附近出現，稱為為副聲束，左上圖為超聲場結構簡圖，左下圖為MATLAB數值計算超聲場圖。1、縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布

2、橫波斜探頭聲場上的聲壓分布

3、直探頭縱波聲場結構4、斜探頭橫波聲場結構

5、聚焦探頭聲場結構波束指向性與指向角（θ）交通強國·鐵路先行波束指向性與指向角（θ）:晶片發出的超聲波束（左上圖）與手電筒發出的光柱類似，在靠近晶片較短的范圍看作是筆直傳播，經過一段距離后，按一定角度擴展輻射，非擴散的區域為近場長度（N）的1.67倍，大于1.67N為擴散區，擴散程度常用指向角或半擴散角（左下圖），用θ表示，對圓盤聲源輻射的縱波聲場，其聲束指向角（θ）計算式如下：式中D——為晶片的直徑；λ——為超聲波波長。1、縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布

2、橫波斜探頭聲場上的聲壓分布

3、直探頭縱波聲場結構4、斜探頭橫波聲場結構

5、聚焦探頭聲場結構方形壓電晶片指向角（θ）交通強國·鐵路先行上式可知，指向角θ與λ/D比值有關，相同條件下，若晶片直徑（D）愈大或波長（λ）愈短（頻率愈高），則指向角（θ）就愈小，波束指向性就愈好，超聲波能量集中，探傷靈敏度高，分辨率好，定位精確，不過近場長度（N）也將愈大。若直探頭的壓電晶片為方形，長、寬分別為a和b的晶片聲束指向角（左圖）計算式分別為：長邊方向短邊方向1、縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布

2、橫波斜探頭聲場上的聲壓分布

3、直探頭縱波聲場結構4、斜探頭橫波聲場結構

5、聚焦探頭聲場結構斜探頭橫波聲場結構交通強國·鐵路先行斜探頭的聲場包含兩部分，一部分是在第一介質中的縱波聲場和第二介質中橫波聲場，研究表明，橫波聲場在第二介質中依然有擴散性，但是兩個擴散角（θ上、θ下）并不對稱，θ上=β-β1，θ下=β-β2，式中β、β1、β2但與晶片尺寸、兩種介質的聲速、入射角、折射角、波長等有關，可以通計算得出，也可以用試驗的方法測定。1、縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布

2、橫波斜探頭聲場上的聲壓分布

3、直探頭縱波聲場結構4、斜探頭橫波聲場結構

5、聚焦探頭聲場結構聚焦探頭聲場結構交通強國·鐵路先行通過改變晶片的形狀，利用兩種介質的速度差，可以實現超聲波的聚焦，按照幾何聲學理想情況下可以得到點聚焦和線聚焦，但實際上由于干涉和透鏡存在球差，得到往往是焦柱。（左上圖）焦柱長度為L，直徑為d，其