结论：近场区长度与波长成反比（与频率成正比），与声源面积 成正比。
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圆形晶片辐射声场近场区长度与声源尺寸的关系
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2.超声场横截面声压分布
在当 x<N 的近场区内，存在中心轴线上声压为0的截面，如x=0.5N 的截 面，中心声压为0，偏离中心声压较高。在 x≥N的远场区内，轴线上的声 压最高，偏离中心声压逐渐降低，且同一横截面上的声压的分布是完全 对称的。
结论： (1) D(θ) ≤1 。
(2) 当y 3.83， 7.07， 10.17...时，P(r , ) 0。 由y kRsin 3.83得半扩散角，即第一零 值发散角： 0 arcsin1.22 70 DS DS
(3) 当y>3.83，即θ>θ0时，
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二.矩形波源辐射的纵波声场
1.波源轴线外的声压分布
Pr , , P0 FS sin ka sin cos sin kb sin r ka sin cos kb sin
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二.横波声场的结构
1.波束轴线上的声压 P kF cos x 3N x cos
S S2
2.近场区长度
NS
FS cos (由假想的波源算起) S 2 cos
'
FS cos tan 第二介质中近场区长度 N NS L2 L1 S2 cos tan
大，近场长度
越大，越不利 于检测。
正方形晶片辐射声场近场区长度与声源尺寸的关系
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矩形晶片辐射声场的数值计算结果
上图表明：晶片尺寸越大，指向性越好。
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矩形晶片（两平面）辐射声场声压分布（数值模拟）
完全干涉，干涉大
频率单一 衰减系数α =0 波动幅度大
2
3
<N
>N
极大值Pmax<2P0；极小值Pmin>0 极大值Pmax=2P0；极小值Pmin=0 波动幅度小 轴线上声压单调递减 轴线上声压：Px=P0FS/λx 扩散角：θ0=sin-1(1.22λ/D) 实际声场的波束比理想声场波束指向性更好，波束更集中。 近场区长度：N= D2/4λ； 未扩散区：b= 1.64N
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三、纵波声场近场区在两种介质中的分布
基于钢中： c D c N N2 L 1 2 L 1 c 2 4 2 c2
' 2
基于水中：
2 c1 c1 DS N N1 L L c c2 41 2 '
P dP 2P0 sin
S


R 2 x 2 x sin t kx
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(1) 波源轴线上Q点声压幅值为：
P 2 P0 sin


2 R 2 2 S R x x 2 P0 sin 2 x 2 P0 sin
由sin 0 1.22

DS

DS / 2 ( DS / 2) b
2 2
得
2 DS 未扩散长度： b 1.64N 2.44
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例题：若用f=2.5MHz，D=20mm的直探头检测钢工件 (声速cL=5900m/s )，那么近场长度 N，半扩散角θ0和 未扩散区长度b分别是多少？ 解：
2 3RS

x 2RS
2 RS F 当 ，即x 时，sin ，则有： P P0 P0 S 6 x x
波源轴线上的声压随距离变化关系图 上式表明，圆盘轴线上的声压n Polytechnic University
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例题：用f=2.5MHz，Ds=14mm的纵波直探头水浸法检测钢板。 已知水层厚度为20mm，水中声速为c1=1480m/s， c2=5900m/s， 求钢中近场长度。
基于钢中：钢中纵波波 长 2 c 2 5.9 2.36mm f 2.5
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[例1]试计算2.5MHz、14mm×16 mm方晶片K1.0和K2.0横波探 头的近场长度N（钢中横波声速为cS=3 230m/s）。 解：
cS2 3230 103 S2 1.29mm 6 f 2.5 10
ab cos 14 16 N K1.0 0.88 48.7mm S2 cos 3.14 1.29 N K 2.0 ab cos 14 16 0.68 37.7mm S2 cos 3.14 1.29
0 arcsin

2b
57

2b
同理，在XOZ平面内半扩散角 0：
3.近场区长度
N
0 arcsin
FS

2a
57

2a
矩形波源有两个不同的 半扩散角， 其主声束为四棱锥形， 其声场横 截面为矩形。
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左图表明：矩 形晶片尺寸越
2
2 14 c1 DS c1 1480 ' N N2 - L L 20 15.7mm c2 42 c2 4 4.26 5900
基于水中：水中纵波波 长 1
'
c1 1.48 0.592mm f 2.5
2 2 1480 c1 14 c1 DS N N1 L L 20 15.7mm c2 4 1 c2 4 0.592 5920
(2)近场区(菲涅尔区)：波源附件由于波的干涉而出现的一系列声压 极大极小的区域。 近场区长度：波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离，用N表 示。 2 2 RS DS F N S 4 (3)远场区：波源轴线上的至波源的距离x>N的区域。 远场区轴线上的声压随距离的增加单调减少，当x>3N时，声压距 离成反比。 在近场区检测定量是不利的，处于声压极小值处的较大缺陷回波 可能较低，而处于声压极大值处的较小缺陷回波可能较高，这样就容 易引起误判，甚至漏检，因此应尽可能避免近场区检测定量。
2.指向性与半扩散角
Pr , , P0 FS sin ka sin cos sin kb sin r ka sin cos kb sin

FS (1)当 0 时， Pr ,0,0 P0 r
(2)当 0 时，Pr ,0, P0
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圆盘源声压沿轴线和 横截面分布图
在 x≥N的远场区内，轴线上的声压最高，偏离中心声压逐渐降低， 且同一横截面上的声压的分布是完全对称的。
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3.波束指向性与半扩散角
(1)波源轴线外任一点的声压为
FS sin kb sin r kb sin
则在YOZ平面内指向性系数： Pr ,0, sin kb sin 令 sin y Dr Pr ,0,0 kb sin y
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当y kb sin 0 3.14 时，Dr 0。 由此得 在YOZ平面内半扩散角 0：
D 0.15 。
说明超声能量主要集中在半扩散角内。
(4) 在超声波主波束之外存在一些副瓣，能量很小。
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上图表明：晶片尺寸越大，指向性越好。
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4.波束未扩散区与扩散区

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近场区长度的推导过程：
当sin

2
R
2
x 2 x sin 2n 1
2


2
1 时声压有极大值。
DS 2 2n 1 x ，n 0 时的x值对应最后一个声压极 大值。 4 2n 1
2 2 DS RS F F f 所以近场长度: N S S 4 cL
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第3章 超声波发射声场与反射体 的回波声压
主讲教师：王秋萍
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主要内容
3.1 纵波发射声场 3.2 横波发射声场
3.3 规则反射体的回波声压
3.4 AVG曲线
2
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2 6 2 2 DS DS f 20 2.5 10 N 42.4 mm 3 4 4cL 4 590010