在货车焊缝的超声波探伤中，经常会碰到板厚较薄的情况，此时的厚度已不适合使用板波，但在横波探伤中，由于厚度较薄，一次波探伤时，虽然可以采用较大K值的探头，但缺陷处于近场区的情况，仍会经常碰到，由于近场区内声场的复杂性，经常造成判伤的结果与实际缺陷出入较大的情况，为了尽可能提高探伤结果的准确性，有必要对近场区的声场结构和特性进行深入的探讨。

1方形平面波源活塞波远场的特点

实际焊缝探伤中，多数采用的是方形平面波源，根据理论可知，在考虑钢材中超声波传播各向同性的前提下，设拉梅常数为λ和μ，由于λ和μ是独立存在的，因此，在固体介质中，纵波和横波也是可以独立存在的，我们在钢板焊缝探伤中主要使用的就是这个独立存在的横波。在这样的假定条件下，固体介质中的波动方程可以表述为：

由于探伤设备的制造，是依据回波高度和声压成正比，在实际工作中看到的回波的高度，就是理论上计算的声压值，根据这一实际情况，使用声压的波动方程可以表述为：

其中：P代表声压；为拉普拉斯算子。

该方程在声束轴线上根据速度势

可以求得声束轴线上的声压幅值为：

方型声源，在如图一所示的坐标系下，在空间声场任意位置的解，则方程的解为：

其中，K=2π/λ称为波数

图一  平面方形声源声场分布计算方法

由上式可见，对于方形声源，其指向系数相对于圆形声源略小，有利于小缺陷的结果评价。

在焊缝超声波探伤中，一般使用远场进行探伤，但考虑到声程变化造成的扩散衰减，在上述公式中可见，声程越远，声束覆盖范围越大，因而单位面积的声强将变小，能量降低。同时因横波的波长短，散射衰减更为严重，因此，实际工作中，往往声程不能过长造成探伤灵敏度过低，考虑到探伤经常使用二次波，为了保证声程，势必造成探伤部位距离近场区较近的情况，甚至会造成近场区内的探伤问题。

2活塞波近场中的傅里叶变换

在焊缝超声波探伤中，近场内的全部声场信息计算较为复杂，而能够实现快速运算得到声场的正推和反推，则需使用快速傅里叶变换算法。计算中，我们需要将连续傅里叶变换和离散傅里叶变换的形式相互转换，即：

通过理论计算，最终可以算得声场的角谱的数学表达式，但如果充分考虑误差的影响，则有必要考虑声场的空间混叠现象，如果对声压p进行密集采样，就可以高波数被转换为低波数而丢失重要的信息，其角谱接近于实际的波数谱。也就是，每个波长内，需至少进行2次的频率信息采集，在这种情况下，就能保证计算的精度满足实际工作的情况。

通过以上理论分析，在近场任一测量平面上的声压和速度，均可有离散傅里叶变换的逆变换而求出，假设进场中某个测量平面的位置坐标为（x,y,a）则其声强可以表示为：

在实际测量中，如果能够获得多个频率下的值，且满足上述所说的足够高的采样频率，在稳态下的傅里叶变换中，可以推出声强在时域下的瞬时声强的响应规律。

3近场声源特点对探伤结果的影响

在钢板焊缝探伤中，通常利用横波斜角探伤此时，为了保证一次波和二次波在扫查中能覆盖到焊缝全部位置，则横波的K值应满足下列要求：K≥(a+b+l₀)/T

而如果板厚T的值较小，则必将选用K值较大的探头，在钢中，按照声场折射定律，sinα/sinβ≈0.55，因此，但在利用一次波探伤时，钢中剩余近场长度可用下式求出：

令

由于正弦函数在0°~90°区间上是单调的增函数，因此ξ随折射角的增大而减小。也就是说，在随着角度变大的过程中，钢中的近场区长度开始减小，但实际工作中发现，在使用K2以上的探头时，一次波探伤区域仍有较大一部分处于近场区中，因此，近场区内的声场仍将影响到探伤结果的可靠性。

4较薄钢板焊缝探伤中的实际应用分析

在薄板的焊缝探伤中，受工件厚度的影响，探头角度应选择的较大，一般60到70度，此时，受近场区的影响，在一次波探伤时，部分焊缝处于近场区中，若加长斜楔的长度，则灵敏度将受到较大的影响，尤其是在频率较高时，有机玻璃对高频波的吸收率较大，使得透射波的频率降低，严重影响小缺陷的检测，受声场结构影响，缺陷回波的高低同时受缺陷位置的影响。为了解决这一矛盾，通过以上分析，可采取以下措施进行处理：

（1）依据实际工件的尺寸和材质，做实物对比试块，这项工作的难点在于，由于母材材质，折射波的角度不同，需做较多的人工缺陷，且人工缺陷与自然缺陷对声波的反射模式有差异，工作量较大。

（2）做实用的AVG曲线，在试块上针对不同的探头和材质，制作实用AVG曲线，考虑近场的影响，仍需对近场区内的部分制作人工缺陷，考虑到上述分析中，不同区域上，回波的高低不能代表缺陷的实际大小，此方法仍具有一定的局限性和检测结果的不确定性。

（3）通过理论分析，在制作距离波幅曲线时，由于受到近场的影响，应选择两种以上不同的角度，且进行角度探伤时，应事先按照理论计算，对声压极大值和极小值出现的位置进行互补，确保所有的缺陷都有良好的回波显示。必要时，可以使用CIVA等专用声场分析软件，对使用的探头的声场进行仿真分析，准确了解声场的分布情况，才能使检测的结果更加可靠。

（4）在近场区一次探伤时，灵敏度进行适当的补偿，根据实际测试的数据，对普通结构钢和高强钢，一般补偿6-10dB具有较好的结果，既能有效发现缺陷，同时能够保证没有过高的干扰杂波。

（5）在板厚较薄时，探头的K值应选择较大，但此时有必要充分考虑声束扩散所产生的表面波对探伤结果的影响，同时，探头的前沿距离不要过长，还应在灵敏度、分辨力等指标上提出更高的要求。

（6）以上问题的计算和处理都是相对比较复杂的，要获得更有效的实际应用，应根据实际工作的情况，通过计算机仿真处理，获得实用化的数据，通过列表提供实际探伤的应用数据，或在设备的功能上将运算结果进行自动补偿，使探伤过程更加方便快捷，这也是焊缝近场探伤中需进一步研究的课题。

参考资料：

1 超声检测，国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材编审委员会，机械工业出版社

2 无损检测手册，李家伟，陈积懋，机械工业出版社

3 Fourier Acoustics, Earl G.Willams, ACADEMIC PRESS

4 Basic theory and properties of statistically optimized near-field acoustical holography , Bruel&Kjaer ,Journal of the Acoustical Society of America ,2009

作者简介：

王  辉（1980-  ），男，中车哈尔滨车辆有限公司，无损检测方向，工程师。