超声波探伤中的近场长度及半扩散角的应用

在用超声波探伤仪探伤选择探头时，应该尽量避免在近场区中检测

一、近场区：

波源附近由于波的干涉声压会出现极大值极小值混杂的区域，这个区域成为超声场的近场区，由于波源各点的子波源至轴线上各点距离不同，波程差不同而互相干涉，使某些位置的声压互相加强，某些位置声压互相减弱，所以出现了极大极小值的点，因此近场区的声压是分布不均匀的；波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区的长度，用N表示：

N=D_s²/4λ=F_s/πλ

式中：N——近场区长度

          D_s——晶片尺寸

          λ  ——波长

          F_s——波源面积

近场区检测定量困难，处于极小值的较大缺陷回波可能较低，而处于极大值的较小缺陷回波由于声压的叠加而较高，所以极易引起误判，甚至漏检。所以不适合在近场区内进行超声波探伤

二、远场区：

波源轴线上的一点与波源的距离x＞近场长度N的区域称之为远场区。远场区轴线上的声压随着距离的增大而减小。当波源轴线上的一点与波源的距离距离x大于3倍近场区长度时，声压与距离成反比，近似球面波的规律，当距离足够大时，波源各点至轴线上某一点的波程差很小，引起的相位差也很小，这样的干涉现象几乎忽略不计。所以远场区轴线上不会出现极大值和极小值。

三、半扩散角：

半扩散角越大，声束的指向性越不好，超声波的能量分散，检测灵敏度低，分辨率差，缺陷定位精度差；反之，半扩散角越小声束的指向性越好，超声波的能量集中，检测灵敏度高，分辨率好，缺陷定位精度好；

半扩散角θ₀公式：θ₀=arcsin1.22λ/D_s≈70λ/D_s

由近场长度公式、半扩散角公式、波长公式可知，合理的选择探头的晶片尺寸D_s和频率f非常重要，一般保证检测灵敏度的前提下尽可能减少近场区长度。

四、未扩散区：

当b≈D_s²/2.44λ≈1.64N，此时在未扩散区b内，波阵面近似于平面，声束不扩散，不存在扩散衰减，各界面的平均声压几乎相同。