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；∇2 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。

I(x, y, z, t) = p(x, y, z, t)v(x, y, z, t)

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。

参考文献：

[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。