热度 12|
0 序言
我一直认为:“小孔衍射是小孔发散反射的极限。”这是一篇为便于理解衍射而写的、纸上谈兵的粗浅短文。如有不当,请指正。
1 问题的提出
例如,已知:使用5P10X10K1探头,扫查CSK-ⅡA试块上,埋深30mm的Φ2X40的横孔。试分析:
(1)该横孔径向---上下方向引起的入射声束声影区;
(2)该横孔圆周引起的发散反射区。
2 横孔引起横波入射声影区
2.1 理论计算
(1)设得到回波幅度最高时,探头在CSK-ⅡA试块上的入射点为A,深度30mm的Φ2X40的横孔圆心为O。因为探头K值为1,所以声程
AO=30mmX1.41=42.3mm
AO连线,就是横波声束的轴线,设它与横孔圆周交于C点。C点就是声束轴线对横孔的垂直入射点(入射角为零度的点)。
(2)从A点引两条线AP和AQ与Φ2横孔相切,设它们与横孔的切点分别为F和G,则AF和AG的延长线(FP和GQ)所夹持的部分,则是小孔的声影区。设AP或AQ,与AO的夹角为θ,我们称之为声影半角。则
θ=sin-1(r/AO) (1)
式中:r—横孔半径,如本例,r=1mm;
AO—已知,如本例,AO=42.3mm
代入(1)式,
θ=sin-1(1/42.3)=1.350≈1.50
上述计算表明,由于横波射束宽度相对横孔较大,埋深30mm的Φ2X40的横孔对入射声束造成的声影角2θ≈30,很小。当然,如果横孔直径不是2mm,而是很大,大到大于或等于相应声程的声束宽度,则声影半角大于或等于声束零值半扩散角了,那么,入射声束将被完全阻止,横孔后面全是声影了。
2.2 实际情况
因为入射点A,实际上并不是一个理想点,它有一定面积,所以,我们以为是3度的入射声影区中,还有一部分半声影区存在。
3 横孔引起的发散反射区
现在我们来研究横孔对入射波的反射情况。
3.1横孔引起的横波发散反射范围
从上面叙述中,我们可知:
1)横孔圆周上C点,是横波轴线的垂直入射点,C点的波线入射角为零度,垂直反射,无波型转换,它的反射波是横波;
2) 横孔圆周上F点和G点,是横波与横孔的两个切点,F点和G点的波线入射角均为90度。由于横波入射角应等于横波反射角,它们反射波的方向,应分别是FP和GQ。这就是说,入射横波的声影区恰恰也是反射横波的声影区;
3)如果以O以圆心,以OA为半径画圆弧,设圆弧与AP交于P点,圆弧与AQ交于Q点,则圆弧PAQ区,就是横孔引起的横波发散反射范围。园弧PAQ所对应的以O为圆心的圆心角Φs(即360度减角POQ),大约可以用下式表示:
Φs≈3600-4θ (2)
式中: θ—见公式(1)。如本例,已算出θ≈1.50,横孔引起的横波发散反射范大约为
Φs≈3600-4X1.50=3540
当然,分散反射范围Φs,与横孔的埋深、直径有关。埋深小、直径大,分散反射范围稍小; 埋深大、直径小,分散反射范围稍大。可以笼统地说,小横孔分散反射范围大约为350度左右。
3.2 横孔引起的纵波发散反射范围
如以上的讨论,声束波线对横孔圆周上C点的入射角α为零度,此时C点对应圆的圆心角也为零度;横孔圆周F点(或G点),它的入射角α为90度,设圆弧CF(或CG)对应圆心角LCOF(或LCOG)为β,则
β=900-θ
因为θ很小,α和β相差很小。为了讨论问题方便,我们认为:
α≈β
即把横孔圆周上某点与C的圆弧长度对应的圆心角β,看作声束波线对此点的入射角α。
假设横孔圆周上D点(或C点另一侧的E点),弧长CD(或CE)对应的圆心角β等于钢的第三临界角33.2度,那么,可以认为:弧长CD(或CE)上除两个端点外,其余各点的入射角α,既大于零度,又小于33.2度,所以它们的反射波,应该既有反射横波、又有反射纵波,两种波型同时存在,即有了入射与反射不同的波型转换。在CD(或CE) 弧段上,纵波的反射角γL的范围:00<γL≤900。如果过横孔圆周上D点,作OD的垂线,与上述大圆弧PAQ交于H点;如果过横孔圆周上E点,作OE的垂线,与上述大圆弧PAQ交于L点;则圆弧HAL所对应的圆心角ΦL,就是横孔引起的纵波反射范围:
ΦL≈2X(900+33.20)=246.40
如果将入射横波轴线AO视为反射纵波的零度线,则纵波反射半角LAOL≈123.20。
笔者注:
1)当入射束宽度大于横孔直径时,横孔引起的纵波反射角ΦL,似乎和横孔直径、以及其埋深,没有什么关系;
2)由于A点并不是理想几何点,上述横孔引起的发散反射情况,不论横波,还是纵波,都是大体上的。
3.3 横孔反射的声压
如前所述,横孔分散反射范围还是很大的,接近360度了,因此,横孔发散反射的声压,自然也比平面定向反射声压低多了,接近衍射波声压。但其发散反射的声压,似乎应该有方向性,似乎垂直反射(横孔圆周上C点的反射)的声压应该最强,另外,在波型转换区,或因反射角不同,横波以及范围较横波小的纵波,它们各方向上的声压可能也不同。这些,有待于试验去证实了。
4 附说明
由于我不会在电脑上画图,也不懂怎么把纸上画的图弄在电脑上,以及怎么发到网上去,只好靠叙述了,让朋友们读起来很吃力,抱歉了!!感兴味的读者,也可以用作图法,按本文叙述做图看看。