在声束轴线与界面法线所决定的入射平面内，声束不再对称于声束轴线，而是声束上半扩散角θ角θ

下

上

。θ

上

声束下半扩散

(2.1)

计算通过声束轴线与入射平面垂直的平面内，声束对称于轴线，这时半扩散角θo可按下式计算。 对于圆片形声源：

对于矩形正方形声源：

(2.22)

(2.23)

下面举例说明横波和纵波声场半扩散角的比较。

例1，用2.5MHz、φ12mmK2横波斜滩头探伤钢制工件，已知探头中有机玻璃CL1 =273m/s,钢中横波声速Cs2=3230m/s,求钢中横波声场的半散角。 解：①有机玻璃中纵波波长

2钢中横波波长

③过轴线与入射平面垂直的平面内

④入射平面内半扩散角θ

上

、θ

下

计算结果如图2.15所示。

例2，用2.5MHz、~12mm纵波直探头探伤钢工件，钢中CL=5900m/s，求其半扩散角。

由上述两个例子可以看出，在其他条件相同时，横渡声泵的指向性比纵波好，横波能量更集中一些。因为横波波长比纵波短。

第三节 聚焦声源发射声场

一、聚焦声场的形成

常规的纵波声场或横波声场，声柬是以一定的角度向外扩散出去的，能量不集中，缺陷定量精度差，对粗晶材料检测困难大，60年代发展起来的聚焦声源发射的声场具有声束细，能量集中，分辨力和灵敏度高等优点。用聚焦探头测定大型缺陷的面积或指示长度比常规探头精确。用聚焦探头探测粗晶材料也有了较大的进展。

聚焦探头分为液浸聚焦和接触聚焦两太类。其中液浸聚焦技术发展得比较完善，接触聚焦目前还在探讨与发展之中。采用聚焦理论研制的接触聚焦直、斜探头用于实际检测，近几年收到了较为满意的效果。 液浸聚焦如图2.16所示，它是利用平面波入射到C1>C2的凸透镜(从入射方向看)上其

折射波聚焦的原理制成的。当声透镜为球面镜时，获得点聚焦；当声透镜为柱面镜时，获得线聚焦。

接触聚焦如图2.17所示，它与液浸聚焦不同的是：在声透镜前面加了一个透声楔块，并且要求声透镜中的声速C1大于透声楔块中的声速C2，C1＞C2。由图可知，它是利用平面波入射到C1＞C2的凸透镜上其折射波聚焦，该聚焦折射波再入射到C2＞C3的平界面上其折射波在工件内进一步聚焦。

二、聚焦声场的特点与应用

下面以水浸聚焦为例来说明聚焦声场的情况。 1.聚焦声束轴线上的声压分布

设聚焦声源半径为R，在声程x>R，焦距F>R的条件下，聚焦声束轴线上的声压近似表 达式为：

式中Po一波源起始声压；

(2.24)

F—焦距，F=C1r/(C1-C2)，其中r为声透镜曲率半径，C1为声透镜中声速，C2为水中声速； X—至波源的距离；

B一参数，B=R2/λF=N/F，R为波源半径。 在焦点处，X=F，上式可简化为

P=πBρo (2.25) 由(2.25)式可知，焦点处的声压随B值增加而升高。当B=10时，P=31.4P0，可见焦点处的声压之高。

由(2.24)式可得图2.18所示的聚焦声束轴线上焦点附近的声压变化情况。不难看出，焦距F愈小，B值就愈大，聚焦效果就愈好。当焦距F大于或等于近场区长度N时，B=N/F≤1，这时几乎没有聚焦作用。因此焦距应选在近场区长度以内，否则就失去了聚焦的意义。

2.焦柱的几何尺寸

以上讨论的聚焦声场是从几何声学理论出发在理想条件下得到的，聚焦声束最后会聚于

一点(或线)，实际上这种情况是不存在的，因为几何声学忽略了声波的波动性，在焦点附近．声波存在干涉。此外声透镜存在一定的球差，并非完全会聚于一点。因此聚焦声束的焦点是一个聚焦区，该聚焦区呈柱形，其焦柱直径与长度可用以下近似公式表示。

d≈λF/2R (2.26) L≈λF2/R2 (2.27) L/d=2F/R (2.28) 式中 d一焦柱直径，以焦点处最大声压降低6dB来测定； L——焦柱长度，以焦点处最大声压降低6dB来测定； λ一波长； F一焦距； R一波源半径；

由以上公式可知，焦柱直径d及长度L与波长λ、焦距F、波源半径R有关。当R一定时，d、L随λ、F增加而增大。二者的比值L/d为一常数，即为焦距与波源半径之比的二倍。 3.聚焦探头的应用

聚焦探头具有声束细、灵敏度高等优点，在铸钢件及奥氏体钢探伤、缺陷面积或指示长度的测定和裂纹高度的测定等方面得到较好的应用。

铸钢件及奥氏体钢晶粒粗大、衰减严重，常规探头探伤散乱反射显著，容易产生草状回波，信噪比低，缺陷判别困难大。采用聚焦探头探伤，由于声束细，产生散乱反射的几率小，因此信噪比高，灵敏度高．有利于缺陷的检出。

随着断裂力学的发展，对缺陷定量的要求日益提高，然而常规探头测定的缺陷面积或指示长度往往与缺陷实际尺寸相差较大。实验证明，使用聚焦探头利用多重分贝法(如6dB，12dB等)来测定缺陷面积或指示长度要比常规探头精确得多。因为聚焦探头声束收敛。

裂纹是最危险的缺陷，测定裂纹高度已引起探伤界的高度重视。人们曾设想采用各种方法来测定裂纹的高度，但测试精度较低。近年来采用聚焦探头利用端点峰值回波法来测定裂纹的高度，获得较好的效果，精度明显提高。 聚焦探头也有不足，最大缺点是声束细，每次扫查范围小，探测效率低。另外，探头的通用性差，每只探头仅适用于探测某一深度范围内的缺陷。

应用聚焦探头测定缺陷尺寸的方法已在实际生产中得到应用。例如，法国已利用水浸聚焦探伤装置检测核反应堆压力壳，美国也已制成汽轮机转子内孔聚焦探伤装置。我国也开始利用聚焦探头对电站锅炉、压力容器管道焊透和某些铸钢件进行检测。收到一定的成效。

第四节 规则反射体的回波声压

前面讨论的是超声波发射声场中的声压分布情况，实际探伤中常用反射法。反射法是根据缺陷反射回波声压的高低来评价缺陷的大小。然而工件中的缺陷形状性质各不相同，目前的探伤技术还难以确定缺陷的真实大小和形状。回波声压相同的缺陷的实际大小可能相差很大，为此特引用当量法。当量法是指在两样的探测条件下，当自然缺陷回波与某人工规则反射体回波等高时，则该人工规则反射体的尺寸就是此自然缺陷的当量尺寸。自然缺陷的实际尺寸往往大于当量尺寸。 超声波探伤中常用的规则反射体有平底孔、长横孔、短横孔、球孔和大平底面等，下面分别讨论以上各种规则反射体的回波声压

一、平底孔回波声压

如图2.19所示，在χ≥3N的圆盘波源轴线上存在一平底孔(圆片形)缺陷，设波束轴线垂直于平底孔，超声波在平底孔上全反射，平底孔直径较小，表面各点声压近似相等。根据惠更斯原理可以把平底孔当作一个新的圆盘源，其起始声压

就是入射波在平底孔处的声压 探头接收到的平底孔回波声压Pf为

式中 Po一探头波源的起始声压；

(2.29)

Fs一探头波源的面积，

Ff一平底孔缺陷的面积， λ一波长；

χ一平底孔至波源的距离。