Page 86 - 《应用声学》2020年第4期
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             时时间计算公式为                                          声压幅度从轴线上的最大值分别下降3 dB时,其波
                                                               束的半扩散角为
                          t − = 2(z 1 − 0.5h)/c,        (2)
                          t + = 2(z 1 + 0.5h)/c.        (3)                  θ −3 dB = 29 (λ/D) .         (4)
                                                                   根据脉冲回波信号中反射回波的走时 t 计算
             1.2 考虑波束扩散角的端面C扫描检测方法
                                                               出对应反射面沿待测工件轴向与扫查端面的距离
                 上述 C 扫描检测方法假定了探头接收的反射
                                                               z,z = t · c L /2,在该反射面,声束的扩散距离
             信号来自探头覆盖范围正下方中线附近。然而在实
                                                               M = z · tan θ,声束覆盖圆区是直径为2M 的圆形区
             际检测中,超声波波源辐射的波束并不是在波源覆
                                                               域,其圆心以下称为覆盖圆圆心,是探头中心在反射
             盖范围内笔直辐射,而是以特定的角度向外扩散,并
                                                               面所在工件内部横截面上的投影。
             且波束扩散并非从波源起始点开始,而是分为一个
                                                                   波束扩散距离和覆盖圆区示意图如图 4 所示,
             未扩散区 b 和一个扩散区,同时会存在一个与波源
                                                               以h(mm) 作为每个横截面切片的深度,并把横截面
             轴线的半扩散角 θ,波束未扩散区和扩散区的理想
                                                               切片按照端面网格划分的方式进行相同的网格划
             化扩散形状如图3所示          [8−9] 。
                                                               分。设检测物体纵向深度为 z(mm),端面探头 D 所
                                                               覆盖的网格坐标为 (x, y),检测声束的扩散边界与
                           N
                                                               声束中轴线之间的距离为扩散距离M。此处以声束
                             θ                                 向外扩散两格网格为例,由于横截面切片是有深度
                    D
                                                               的立方体,故设声波从端面到达正下方 z 1 (mm) 层
                                                               网格上表面的最近距离,其声波发射返回声程为p 1 ,
                           ళੱஙӝ     ੱஙӝ
                                                               声波到达该网格底面边界为最远距离,其发射返回
                          bĵ1.64N
                                                               声程为 p 2 ,同理,向外扩散相邻网格底面边界声波
                        图 3  波束未扩散区和扩散区
                                                               发射返回的声程长度为 p 3 ,向外扩散第二个网格底
             Fig. 3 The beam non-diffusion zone and diffusion zone
                                                               面边界声波发射接收的声程长度为 p 4 。图5 仅示意
                 在波束未扩散区 b 内,各截面平均声压幅度基                        性地给出了检测声束的覆盖距离仅含有向外扩散 0
             本相同,b 以外的扩散区内,各截面的声压幅度从轴                          个、1 个、2 个网格的情况,声程 p 1 、p 2 、p 3 、p 4 根据公
             线向两侧会有所下降          [10] 。描述声场分布有两个主               式t = p/c L 计算,所经历的走时分别为 t 1 、t 2 、t 3 、t 4 。
             要指标,分别为主瓣宽度和旁瓣幅度。主瓣宽度是                            以此类推,可计算各个回波信号对应检测声束覆盖
             指两侧的声场幅值相对声束轴线方向上的极大值                             圆区内声束覆盖的多个网格,这些网格以覆盖圆圆
             下降 3 dB 的宽度,该宽度值越窄,成像侧向分辨率                        心处的网格为中央网格,以 L 为间距依次向外扩散
             越高,故选择波束幅值下降3 dB来计算波束的半扩                          的网格则形成了多个 “口” 字形区域,从而将所述探
             散角。假设超声波波长为λ,圆形晶片(直径为D)的                          头声束扩散网格化。

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                                              图 4  波束扩散距离和覆盖圆区示意图
                                        Fig. 4 Beam diffusion distance and coverage circle
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