【正文】 ，將獲得點聚焦；如果為柱面，將獲得線聚集。目前在實際檢測中，線聚焦多用于機械化自動檢測，點聚焦多用于人工檢測。四四 .超聲波對規(guī)則形狀反射體的反射超聲波對規(guī)則形狀反射體的反射1. 平面反射平面反射　　一、圓形壓電晶片聲源的聲場 ?　 　 超聲檢測中使用的超聲波探頭，主要部件是用壓電材料做的壓電晶片，壓電晶片的兩表面涂有導(dǎo)電銀層作為電極，使晶片表面上各點都具有相同的電位。將晶片接于高頻電源時，晶片兩面便以相同的相位產(chǎn)生拉伸或壓縮效應(yīng)，發(fā)射超聲波的晶片恰如活塞做往復(fù)運動一樣輻射出聲能。因此它相當于一個活塞聲源，通常將直探頭所產(chǎn)生的超聲場作為圓形活塞聲源來處理。 理想的圓盤聲源是指圓形平面的聲振動源，當它沿平面法線方向振動時，其面上各點的振動速度幅值和相位都相同， 發(fā)射的波稱為 活塞波 。　　 由圓形壓電晶片產(chǎn)生的聲場簡介 ?　 　 圓盤聲源發(fā)出的聲場，由于聲源尺寸有限，必然在其邊緣發(fā)生衍射效應(yīng)使聲束向周圍空間擴散，形成一個隨距離增大而波陣面面積不斷擴大的擴散聲束。另一方面，聲源上各點發(fā)出的聲波相互干涉又使得聲壓的空間分布不是隨距離單調(diào)變化的。 因此，對圓盤聲源聲場中聲壓分布的描述非常復(fù)雜。從圓盤聲源的對稱性來分析，通過圓盤中心且垂直于盤面的直線應(yīng)是聲場的 對稱軸 ，稱為 圓盤聲源軸線 。討論圓盤聲源的聲場將從聲壓沿軸線的分布以及聲束擴散的特性著手。 圓盤聲源遠場中任一點的聲壓推導(dǎo)　　 圓盤聲源軸線上的聲壓分布 ?　 　 根據(jù)疊加原理，圓盤聲源軸線上任何一點處的聲壓等于聲源上各點輻射的聲壓在該點的疊加。如果聲源發(fā)出的波為連續(xù)簡諧波，并假定介質(zhì)為無衰減的液體介質(zhì)，則可推出聲源軸上聲壓幅值 P的分布符合下式： 式中： P0為聲源的起始聲壓； D為圓盤聲源的直徑； λ為傳聲介質(zhì)中聲波的波長； x為圓盤聲源軸線上某一點距聲源的距離。 這是描述直探頭中心軸線上聲壓分布的公式。在采用當量法超聲波缺陷測定時，它是最基本的公式?！　?二、近場區(qū)、遠場區(qū)和超聲波的指向性由軸線上聲壓公式，經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到最后一個聲壓極大值點距聲源距離的表達式： 當 Dλ時， λ/4可以忽略，從而得到近場長度的簡化計算公式如下，可用于實際工作中近場長度的估算： 圓盤聲源軸線上的聲壓分布 近場區(qū) 遠場區(qū) 圖中標有 “P球 ”的虛線為球面波聲壓隨距離的變化曲線，可以看出，距離大于 3N 以后，圓盤聲源聲軸上的聲壓幅值變化與球面波的曲線非常接近。在聲場中，稱 xN的區(qū)域為聲源的 近場區(qū) ，最后一個聲壓最大值至聲源的距離 N稱為 近場長度 。在近場區(qū)內(nèi)，由于聲源表面上各點輻射至被考察點的波程差大，所引起的聲源振幅差和相位差也大，且它們彼此相互干涉，結(jié)果是近場區(qū)的聲源分布十分復(fù)雜，出現(xiàn)很多極大值與極小值。因此在近場區(qū)內(nèi)如果有缺陷存在，其反射波極不規(guī)則，對缺陷的判斷十分困難。在聲場中， xN的區(qū)域為聲源的 遠場區(qū) 。在遠場區(qū)，聲壓隨距離增加而減小，聲源軸線上距離為 x處聲壓 p的最大值為近場區(qū) 遠場區(qū)軸向聲壓剖面圖軸向聲壓剖面圖 　 指向性與擴散角研究的是聲束在空間擴散的規(guī)律。根據(jù)疊加原理，可將在空間中距聲源有一定距離的任一點的聲壓，看做是聲源上各點的輻射聲壓的疊加，從而得到聲場內(nèi)聲壓幅值的分布情況。 指向性與擴散角圓盤聲源遠場中任一點的聲壓推導(dǎo)聲場中的 指向性 是指聲場中 θ 方向的聲壓振幅 pmax(θ )與 θ=0176。時的聲壓振幅 pmax(0)之比，它表達了聲場中聲壓 p的振幅與方向角 θ之間的變化關(guān)系，以 Dc表示：J1—— 第一類一階貝塞爾函數(shù)： 第一類貝塞爾函數(shù)，記作 Jn（ x），用 x的偶次冪的無窮和來定義，數(shù) n稱為貝塞爾函數(shù)的階，它依賴于函數(shù)所要解決的問題。 圓盤聲源聲場指向性示意圖 　 　 超聲場中超聲波的能量主要集中于以聲軸為中心的某一角度范圍內(nèi)，這一范圍稱為 主聲束 。這種聲束集中向一個方向輻射的性質(zhì)叫做聲場的 指向性 。在主聲束角度范圍以外還存在一些能量很低的、只分布于聲源附近的 副瓣聲束 。 ?　　圓盤聲源聲場指向性示意圖 　 　 設(shè) a為圓形聲源的半徑， x為空間任一點 M到聲源中心的距離， θ為 M點與聲源中心的連線與聲源軸線的夾角。聲壓 p最大值的表達式為 圓盤聲源聲場指向性示意圖 　　主聲束所包含的角度范圍可由距聲源充分遠處的聲壓分布得到。當聲源為圓形活塞聲源且直徑為 D、 半徑為 a時，用指向角 θ來描述主聲束寬度（又稱 半擴散角 ）　 　 指向角是代表主聲束范圍的角度，反映了聲束的定向集中程度，也反映了聲束隨距離擴散的快慢。 指向角越大，則聲束指向性越差，聲束擴散越快。 聲源的直徑越大， 波長越短，則聲束指向角越小， 指向性越好。 當 λ D時，可簡化為 　 　 由于超聲能量主要集中于主聲束，對于圓形晶片，可以認為在距聲源一定距離內(nèi)，超聲能量未逸出以晶片直徑所約束的范圍， 聲束直徑小于晶片直徑。這一距離之內(nèi)就稱為 非擴散區(qū)。非擴散區(qū)之外，則稱為 擴散區(qū) 。按幾何關(guān)系， 可得到非擴散區(qū)的長度 b為 圓盤聲源非擴散區(qū)示意圖 　　 實際聲源的聲場 ?　 　 簡化計算時假定聲源是均勻、連續(xù)激發(fā)的，而實際探頭多是非均勻激發(fā)的脈沖波源；簡化計算時假定介質(zhì)是液體介質(zhì)， 實際檢測對象多為固體介質(zhì)。對實際聲場的研究結(jié)果表明， 實際聲場與簡化計算結(jié)果的差別主要在于近場區(qū)的聲壓分布。 簡化計算結(jié)果中近場區(qū)聲壓變化劇烈，可有多處極大值和極小值。 而實際聲場近場區(qū)聲壓分布比較均勻，幅度變化小，極值點的數(shù)量也明顯減少。 ?　 　 盡管實際聲場與簡化分析結(jié)果有所差異，但在遠場區(qū)是基本符合的。因此，可以應(yīng)用簡化推導(dǎo)得出的結(jié)果，進行實際檢測中的近似計算。 思考題、分類 聲阻抗 聲強等3. 超聲波的速度 常見材料的聲速 4. 聲衰減 不同材料 多晶材料晶粒大小 檢測波長的選擇 5. 超聲波垂直入射水和鋼平面界面的反射和透射特點和公式 6. 第一 /第二、第三 臨界角 斯涅爾定律 凹面鏡和凸面鏡 聚焦和發(fā)散8. 圓形壓電晶片的聲場特點 遠場區(qū)和近場區(qū) 指向