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超聲波探頭聲束特點(diǎn)_滄州五森管道有限公司
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超聲波探頭聲束特點(diǎn)

  

常規(guī)單晶縱波超聲探頭工作的方式如同可發(fā)出高頻機(jī)械振動的活塞,探頭產(chǎn)生的這種振動即為聲波。
 
在壓電換能器晶片(通常被稱作晶片)被施與電壓時(shí),垂直于晶片表面的方向會受壓變形。
 
電壓消失后,一般在一微秒之內(nèi),晶片反彈,產(chǎn)生機(jī)械能脈沖,形成超聲波。
 
下面圖中的概念化示例表明一個(gè)壓電晶片對短暫的電壓脈沖產(chǎn)生的響應(yīng)。
 
(常規(guī)超聲波晶片工作原理)
 
 
最常用于超聲無損檢測的探頭類型在功能方面都具有以下基本屬性:
01
類型:根據(jù)探頭的功能可將探頭劃分為接觸式、延遲塊式、角度聲束、或水浸式等類型。
被測材料的特性,如:表面粗糙度、溫度、可達(dá)性、材料內(nèi)缺陷的位置、檢測速度等,都會影響用戶對探頭類型的選擇。
02
尺寸:尺寸是指激活探頭晶片的直徑。
晶片通常被置于比它稍大一點(diǎn)的外殼中。
03
頻率:頻率是指一秒鐘內(nèi)聲波完成振動周期的次數(shù),通常用千赫(kHz)或兆赫(MHz)表示。
大多數(shù)工業(yè)超聲檢測在500 kHz到20 MHz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行,因此大多數(shù)探頭的頻率處于這個(gè)范圍內(nèi)。
不過,用戶也可以買到頻率范圍在50 kHz以下,以及200 MHz以上的商業(yè)探頭。
頻率越低,穿透力越強(qiáng);頻率越高,分辨率和聚焦力度越高。
04
寬帶:帶寬是處于特定波幅范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)的部分。
在這種情況下,應(yīng)該注意典型的NDT探頭不會生成單一頻率的聲波,而只能在以額定的頻率值為中心的頻率范圍內(nèi)生成聲波。
 
工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將這個(gè)帶寬確定在–6 dB(或半波幅)的位置處。
05
波形持續(xù):波形持續(xù)是指每次探頭被脈沖觸發(fā)后生成的波動周期的數(shù)量。
窄帶寬探頭要比寬帶寬探頭生成的波動周期數(shù)量多。
晶片直徑、基底材料、電子調(diào)諧、探頭激勵(lì)的方式都會影響波形持續(xù)。
06
靈敏度:靈敏度是指激勵(lì)脈沖波幅與從指定目標(biāo)反射的回波波幅之間的關(guān)系。
 
我們用以下這個(gè)比喻可以有效說明這個(gè)概念。
 
發(fā)自典型的未聚焦圓盤探頭的聲束經(jīng)常被想象成一束源自激活晶片區(qū)域的能量柱,這個(gè)能量柱在直徑方向上擴(kuò)散,最后消失。
 
 
超聲波聲束
實(shí)際上,真正的聲束形狀要比這復(fù)雜,因?yàn)閴毫υ跈M向和軸向上都會逐漸發(fā)生變化。
 
在下面的聲束形狀圖中,紅色代表能量最高的區(qū)域,而綠色和藍(lán)色代表能量較低的區(qū)域。
 
 
超聲波聲束能量分布
探頭的聲場被分為兩個(gè)區(qū)域:近場和遠(yuǎn)場。
 
近場是指接近探頭的區(qū)域。
 
在這個(gè)區(qū)域中聲壓反復(fù)幾次達(dá)到最大值、最小值。這個(gè)區(qū)域的終端為軸上最后一次出現(xiàn)最大聲壓值的位置。
 
這個(gè)位置到探頭表面的距離表示為N,即近場距離。
 
近場距離N代表探頭的自然焦距。
 
超聲波近場區(qū)
遠(yuǎn)場是近場距離(N值)以外的區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域,隨著聲束直徑的擴(kuò)展及聲能的消散,聲壓逐漸降低為零。
 
近場距離是探頭頻率、晶片直徑與被測材料聲速互相作用的一個(gè)函數(shù)。
 
通過以下公式,可以為相控陣檢測中常用的正方形或長方形晶片,計(jì)算出這個(gè)函數(shù)值:
 
正方形或長方形晶片近場區(qū)計(jì)算公式
由于近場中聲壓的不同,很難使用基于波幅的技術(shù)精確評價(jià)缺陷(盡管近場中的厚度測量不成問題)。
 
此外,N值代表通過聲學(xué)透鏡或相位調(diào)整技術(shù)使探頭聲束聚焦的最大距離。
 
如果是環(huán)形晶片,則不使用k值,而是使用晶片直徑(D)代替長度項(xiàng):
 
 
短邊/長邊的比率
如果是環(huán)形晶片,則不使用k值,而是使用晶片直徑(D)代替長度項(xiàng):
 
圓形晶片近場區(qū)計(jì)算公式
 
 
 
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