转发：PA考证必看（建议收藏）—钢中近场区长度计算
发布日期：2022-11-11 15:38浏览次数：
前一段PA考试热火朝天，朋友们打电话讨论了很多关于近场区计算的问题，之前写了手稿帮忙解释，难得有时间对手稿进行整理，特发此篇。
例题：根据公式计算带楔块相控阵探头的近场距离：5L16-0.6*10探头激发16个晶片，安装在55°折射角的聚苯乙烯楔块上（纵波声速2340m/s），探头中心高度Hc=5.0mm，求钢中折射角为70°的横波（声速3230m/s）波束的近场距离。
上题为《相控阵超声波检测培训讲义（第2版）》第二章40页内容，教材不知是否换版？如换版按例题实际页码为准。
α55=asin（sin55*2340/3230）=36.4°；α70=asin（sin70*2340/3230）=42.9°；α0= α70-α55 = 42.9-36.4=6.5°；Ae=0.6*16*cos(α0)=9.54mm；公式中：α55—为钢中折射角为55°的楔块中声束入射角度； α70—为钢中折射角为70°的楔块中声束入射角度；α0—为相控阵钢中折射角由55°偏转至70°，楔块中入射角的偏转角度；依据题意需要计算折射角为70度的钢中近场区长度，近场区计算孔径大小是前提条件，所以首先需要计算由55°偏转至70°状态下，等效孔径的大小。
图1. 声束偏转后的等效孔径示意图
如图1所示，AB为真实孔径大小（A=P*N），AD为偏转后等效孔径大小，CD为辅助线。∠1（α55）为55度时楔块内入射角，∠2（α70）为70度时的楔块内入射角。∠CBD（α0）为由55°偏转为70°的偏转角。∠1= asin(sin55*2340/3230)=36.4°;∠2= asin(sin70*2340/3230)=42.9°∠CBD=∠2-∠1=42.9°-36.4°=6.5°;∴ COS(∠BAD)=AD/AB; AD=AB*COS(∠BAD)。结合以上Ae=0.6*16*cos(α0)=9.54mm；Le=Ae*cosβ/cosα=9.54*cos(70°)/cos(42.9°)=4.45mm；
第二步解题思路及释义：
首先应该弄清楚为什么要求Le？Le和Ae的关系是什么？Le为钢中折射的等效孔径（需要假设没有楔块的情况下，等效孔径为多大），Ae为55°偏转到70°后楔块中的等效孔径，本题干是需要计算钢中的近场区长度，所以需要根据Ae计算得出在钢中传播时等效孔径为多长即Le。计算过程如下：
Ae为楔块中偏转70度后的等效孔径，Le为钢中折射的等效孔径，α为楔块中的入射角42.9°，β为钢中的折射角70°。蓝色线为辅助线，红色线为从楔块发射至钢中的声束路径，模拟中心点发射。将Ae平移至与钢界面相交（便于计算）。∴ Le=COSβ*（Ae/COSα）=Ae*（COSβ/COSα）=9.54*cos(70°)/cos(42.9°)=4.45mm；因为Le与探头次轴长度（10mm）之比小于0.5，故取近似值Ks=1.0；总的近场长度
Ne=1.0*100/(4*(3.23/5))=38.7mm。
如上述第二步计算结果为Le，Le为钢中的等效孔径，需将Le向斜上方平移，模拟在楔块中发出计算近场区总长度。矩形晶片近场区长度计算公式：Ns=Ks*(L2/4λ)；首先确定修正系数Ks；Ks=W/L=Le/10=4.45/10=0.445;见下图Ks≈1.0；
即：Ne=1.0*100/(4*(3.23/5))=38.7mm。L2=Hc/COSα*(tanα/tanβ)=5.0/COS(42.9)*(tan(42.9)/tan(70))=2.4mm;No=Ne-L2=38.7-2.4=36.3mm；
首先根据第三步明确，结算的总近场长度为模拟或假想的以70度在楔块中入射并进入钢中的近场长度，该近场长度应该减去声源至入射点的距离。如图5所示，左图为实际声源至入射点的距离，右图为假想声源至入射点的距离，需要根据左图提供已知条件，进而计算右图中的假想声源至入射点的距离（L2）,如右图：Ne-L2=No。推导过程如下：∵ tanα=0.5A/L1；tanβ=0.5A/L2；∴ tanα/tanβ=L2/L1; 即：L2=L1*(tanα/tanβ);∴ L2=Hc/COSα*(tanα/tanβ)=5.0/COS(42.9)*(tan(42.9)/tan(70))=2.4mm;∴ No=Ne-L2=38.7-2.4=36.3mm；
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