Page 86 - 《应用声学》2020年第4期

572 2020 年 7 月

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 ，
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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