[发明专利]无近场区直探头

说明书

无近长区直探头，属于无损检测技术领域，应用于超声波检测中。

如何解决近场区内的缺陷检测问题，早为国内外的无损检测专家、学者，研究者，追求着，但到现在仍没有研究结果。从探头辐射出去的超声波，在近场区内进行着激烈的干涉，造成复杂的声压分布，在这个区域内，对缺陷进行定位定量定性都是较困难，已致不可能的。

我设计的无近场区直探头，声波进入介质时，介质已处于三倍近场长度以外，设计依据的道理有3条：

1、园盘源(元形压电晶片)在大于园盘直径的介质中传声，半扩散角按已有的公式，是可以计算的。而在小于园盘直径D的介质中传声，半扩散角保持不变(d＞＞λ)，如图1、图2。即是说，只要压电晶片直径，振动频率传声介质不变，图示两种情况下，半扩散角都是一样的。

2、附图1、图2两种耦合情况，在计算介质中的近场长度时，所使用的直径不同，一个为D，一个为d。因为造成近场长度的根本原因，是园盘源中点声原的互相干涉，这种干涉又以园盘边缘最为利害，利用声波在小于园盘的介质中入射，既可以减少园盘中的干涉点，又避开了园盘边缘的重大影响。按一般半扩散角θ。＝sin^-11.22λ/D与近场长度N＝D²/4λ的关系，指向性与近场长度是互相制约的，即指向性好，近场长度长，反之近场长度短但指向性变坯两者总不能兼顾。按1、2条道理来设计探头，则得到在扩散不变的条件下，调整入射端面的直径，近场长度则可任意调整，实际上分离了扩散角与近场长度的关系。

3、当主动探头辐射的超声能量，首先通过传声轩，再通过接收压电晶片，最后才进入被查介质。由实验知道，通过传声杆与不通过传声杆声能损失多反应在传声杆中的衰减，如主动探头为Φ20.25MC，当探测到h₂₀Φ₂平底孔时，尚余40db左右，不影响其实用价值。

自发明用超声波来检测介质中缺疵以来，对近场区内的缺陷检测就一直存在着困难，主要对缺陷定量不准，定位不准。现发明无近场区直探头，超声波进入被检介质后，介质已处于三倍近场长度以外，可以用远场计算公式，较易、较准确的解决以上问题。

无近场区直探头的结构，实为两个探头组合构成，一个探头作发射一个探头作接收，发射与接收探头之间连以传导杆，如图3。图面说明：

1、主动探头，为一普通的收发直探头。

2、被动探头，只起接收声波作用。

3、传声柱、锥形有机玻璃传声柱，对于Φ20.5MC主动探头来说，设计为上端传声面为Φ3.6mm，下端面为Φ5.3长18mm声波可以自由扩散传播，同时又可以稳靠的接收主动探头的声能入射。

4、防散射档板为-0.3mm厚的金属同心园片，防止主动探头的声能在传声柱中传导时，散射到接收胶中，被接收晶片接收时，形成杂波。

5、为镁金属片δ＝0.26mm，便于声波能顺利地进入被捡介质，也使缺陷波多余的声能，消失在有机柱中。

目前，超声波探伤使用的探头，在被检介质中，有探头就有近场区存在。消除声干涉的探头还没有过。改善近场区声压的探头如高斯探头早已研究出来，由于它本身一些缺点，没有广泛使用。现以高斯探头、无近场区直探头作一比较：以下简称高斯探头为“高”，无近场直探头为“高”。

1、“高”的测试曲线往往从20mm以上作起(钢中)，而“无”可以从1-2mm开始，即在被检介质中，探测距离更近。

2、“高”半扩散角大，在距离相同条件下，声压减小到轴线上声压30％时，扩散角按Sin30＝1.22λ/2R。则指向性不好，横向分辩率也不高。而“无”遵循球面波的规律，第一零值的半扩散角按Sinθ。＝1.22λ/2R。即指向性好，加之入射到被检介质中的声束较细，横向分辨率也高。

3、“高”与等效直径的一般园盘源相比，轴线上声压降低了许多，与“无”相比，同情况时，灵敏度大大降低，如图4。

4、“无”；进入介质的声场，已在三倍近场以外，适用于球面波的缺陷计算式，测定缺陷当量大小，都简单化。而“高”声压，按“高”声压曲线变化不服从球面波公式。

在后来的直探头发展中，有了双晶直探头，聚焦探头，榨脉冲探头等，它们总的特点是，提高了发现缺陷能力的范围，但都不具有减少声场干涉的作用，也不适用于当量计算公式。

以下是无近场区直探头的特有的几点优点：