超声波检测实用公式_超声波检测主要公式

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超声波检测实用公式一、一般公式

1、不同反射体的回波声压比

（1）平底孔对大平底：Δ=20l（πXBΦ2/2λXf2）dB 用途：用于以底波方式调整超声波探伤起始灵敏度和评定缺陷的当量大小，式中XB为大平底声程（探测到工件地面的工件厚度）；Xf为平底孔声程（即缺陷的埋藏深度）；Φ为预定探测灵敏度所规定的平底孔直径；λ为所用频率超声波在被检工件材料中的波长。在按照大声程调整探伤起始灵敏度时，设XB=Xf，则公式简化为Δ=20（πΦ2/2λXf），即将直探头良好地耦合在探测面上，调整仪器的增益，使工件地面的第一次回波高度达到满屏上的某一刻度（例如50%）,然后按公式计算所得到的dB值提高仪器的定量增益。在探伤过程中发现有缺陷回波高度超过预定的满屏刻度（例如上面预定的50%）时，可根据将该回波高度降到预定刻度所需的ΔdB值和缺陷埋藏深度，按照公式计算出Φ当量值，即缺陷的当量值。

（2）球孔对大平底：Δ=20l（dXB/2Xf2）dB

d为当量球孔直径，用途同上。（3）长横孔对大平底：Δ=10l（ψXB2/2Xf3）dB

ψ为当量长横孔直径，用途同上。（4）短横孔对大平底：Δ=10l（L2ψXB2/λXf4）dB

ψ为当量短横孔直径，L为短横孔长度，用途同上。

（5）平底孔对平底孔：Δ=40l（Φ1X2/Φ2X1）dB

两个不同声程、不同直径的平底孔回波声压比，用分贝表示。

用途：在探伤中，一般把调整探伤起始灵敏度时设定的一定声程X2和一定直径的平底孔Φ2作为基准，通过缺陷回波与基准回波高度分贝差（由探伤仪定）和缺陷埋藏深度X1计算出缺陷的平底孔当量大小Φ1，注意Δ的正负值所代表的意义是不同的—在以上规定时负值表示缺陷比基准平底孔当量小，反之则大。

（6）球孔对球孔：Δ=20（d1X22/d2X12）dB

两个不同直径不同声程的球孔回波声压比，用途同上。

（7）长横孔对长横孔：Δ=10l（ψ1X23/ψ2X13）dB

两个不同声程不同直径的长横孔回波声压比，用途同上。

（8）短横孔对短横孔：Δ=10l（ψ1X24/ψ2X14）dB

两个不同声程不同直径、长度相同的短横孔回波声压比，用途同上。

（9）大平底对大平底：Δ=20l（X2/ X1）dB

一般用于验证被检工件材质衰减状况。

回波幅度比：Δ=20l（H2/ H1）dB

以回波幅度法探伤时，将缺陷回波高度与基准波高

之间的幅度差异转换成以分贝表示两个幅度高度的差异

（10）大平底对凸圆柱底面：Δ= 10lg（R/ r）dB

R为圆柱外径，r为圆柱内径；计算得到的ΔdB值应是相当于大平底时的曲面补偿值，显然这是正值—凸底面的反射发散需要补偿，见示意图1

图1（11）大平底对凹圆柱底面：Δ= 10lg（r / R）dB

R为圆柱外径，r为圆柱内径；计算得到的ΔdB值应是相当于大平底时的曲面补偿值，显然这是负值—凹底面的反射汇聚需要反补偿，见示意图2

图22、纵波圆形晶片的有效直径De

De=

4NC0.97D0 fefe为回波频率；D0为晶片名义直径；N为近场区长度；C为材料中的声速。在超声换能器中，晶片自身的边沿效应以及由于周边被固定，因此实际发生振动发射声波的区域称为有效区域，对于圆形晶片则称为有效直径。

3、声束的指向性

圆形晶片的声束指向性：零扩散角θ0≈70λ/De 方形晶片的声束指向性：零扩散角θ0≈57λ/a

（a为晶片边长）

比声束轴线声压低3dB的对应点构成的声束之扩散角：θ-3dB≈29λ/De与θ-3dB≈25λ/a4、综合衰减系数测量

X≥3N时，α={（Bm-Bn）-20lg（m/n）-（m-n）（一次往返损失）/{2（m-n）X}dB/mm

X＜3N时，α={（Bm-Bn）-（m-n）（一次往返损失）/{2（m-n）X} dB/mm 注：为消除波导效应的影响，要求被测材料厚度X、探测面横向尺寸H和L应满足 H、L≥0.65X5、界面上的反射与折射

sinL1CL1sinL1CL1sinS1CS1sinS1CS1sinL2S2sin L2S2L1--纵波入射角 L1--横波入射角 S1--纵波反射角 S1--横波反射角 L2--纵波折射角

S2--横波折射角

第一临界角：αⅠ=arcsin（CL1/CL2）

第二临界角：αⅡ=arcsin（CL1/CS2）

CL1为第一介质纵波声速

CL2为第二介质纵波声速

CS2为第二介质横波声速

6、瑞利波入射角

αR=arcsin（CL1/CR）≥arcsin（CL1/CS2）

在有机玻璃-钢界面的情况下，通常取αR为67~72°

7、横波、纵波和瑞利波在同一材料中的声速差异

钢：CS≈0.55 CL CR≈0.92 CS

铝：CS≈0.49 CL CR≈0.93 CS

二、绘制AVG曲线面板的计算公式

1、标准化距离：A=X/N0

(X-距离；N0-近场长度)

2、标准化缺陷（当量）：G=Φ/D0（Φ-平底孔直径；D0-圆形晶片直径）

3、底波振幅曲线：VB=20 p lgB/p0=20lg（π/2A）

（p-底面回破声压；B-工件厚度；p0-初始声压；A-晶片面积）

4、平底孔回波振幅：VΦ=20lg（pf/ p0）=20lg（π2G2/A2）

(pf-距离x处的回波声压)

5、绘制曲线面板时，最大测距上满刻度HB的比例系数：K=HB/（π/2A）

三、横波探伤中的几何关系

SY1K XSK1K2

YS11K2

K=tgβ

β-折射角

直射法

x1=Ky1

y1=x1/K 一次反射法

x2=Ky2’

y2=2t-y2’=2t-s2cosβ 二次反射法

x3=Ky3’

y3= y3’-2t 见图3分析：

图3

四、横波探伤中的晶片有效直径与近场

横波探伤中的晶片有效直径De

DeD0Acos2e cos式中D0-晶片的名义直径； Ae—晶片有效面积； Ae=（cosβ/cosα）A（A为晶片的实际直径）。

横波探伤中的近场区长度N为：N=Ae/πλ

式中N-总近场长度；λ-工件中的波长；Ae –晶片的有效面积。

在工件中的近场：NA=N-S2，S2为有效位置，S2=（CS2/ CL1）S1，CS2为第二介质横波速度；CL1为第一介质纵波速度。如图4所示：

图4

图5

五、棒材探伤中的应用公式

1、棒材周面径向纵波接触法探测

XB2适合采用 dB20lg，以底波方式调整探伤起始灵敏度检测棒材的情况，其条件22Xf应满足：棒材直径ψ≥3.7N；单晶直探头的晶片直径应为：D2/2≤ψ。

2、棒材周面弦向横波法探伤 一般有接触法和水浸法两种

①接触法：

如图所示，探头斜楔块匹配面磨制方法：先在纸上按欲探伤棒材直径画圆，作一直径延长线从C点引出至A点，长度为a，垂直此直径过A点作垂线长为b，连接B和C，则BC为预定入射角时的声束轴线，然后将有机玻璃透明楔块置于图上，使纸上的声束轴线与探头声轴线重合（或使声轴线通过斜探头中心并垂直于斜面），透过斜楔块描出应磨去的圆弧部分。然后，先在砂轮机上粗磨至接近规定轮廓，再在比棒材名义直径小1毫米的专用圆棒（或将与探伤棒材同直径的棒材试块端头直径车削掉1毫米）--因为下面要使用的刚玉砂布厚度一般是1毫米左右，在此位置平整地铺垫上0#或1#刚玉砂布用手工细磨成型。

b=

L/CS)·sinβ]

②水浸法：

采用的水浸探头发射的声束应是会聚（聚焦）的。

棒材横波水浸法探伤的最大检查深度（径向深度）为：

h=R[1-(CS/C水)·sinα]=R[1-(CS/CL)] 式中：α—第一临界角；R—棒材的半径

六、管材的周面弦向横波探伤

1、满足t/D≤0.5[1-(CS2/CL2)]的管材： CS2、CL2分别为管材的纵波与横波速度，D为管材外径，t为管材壁厚

（1）接触法：见右图，探头斜楔块的磨制与棒材要求相同，入射角应满足： sin-1(CL1/CL2)＜α＜sin-1(CL1r/CS2R)式中：CL1为斜楔块的纵波速度。

（2）水浸法：见图6，使用点聚焦或线聚焦探头。

偏心距要求：

(C水R/CL2)≤X≤(C水r/CS2)在水-钢界面情况下，偏心距为0.253R≤X≤0.461r

X=R（C水/CS）sinβ 其中：

sinα=[1-(2t/D)](CL1/CS2)=2X/D=X/R;sinβ=[1-(2t/d)]=(CS2/CL1)sinα

最佳水层厚度：HFR2X2

水浸探头偏心距的调整：

α=arcsin[(C水/CS)·sinβ]

由于α=θ，X/R=sinθ= sinα 所以：偏心距X= R ·sinα= R ·[(C水/CS)·sinβ]注：β一般多取45°，故在接触法时，有机玻璃斜楔块入射角对钢为37°左右，对钛合金为37.5°左右；水浸法时的偏心距对钢约为0.32R（mm），对钛合金约为0.33R（mm）。

式中：F为探头水中焦距，此时焦点落在与声轴线垂直的通过圆心的水平直径上。

自动化管材水浸法探伤的重复频率要求： f重=2πRnK/D 式中：R-管材的外径；n-探头与管材相对转速（转/min）；D-有效声束宽度或螺距；K-系数，与报警、记录等辅助装置有关，通常取2以上（包括2在内）。

图6

2、满足t/D≥0.5[1-(CS2/CL2)]的管材（厚壁管）：采用纵-横-纵波法，见下图所示

七、板材探伤

1、中厚板的单直探头水浸法探伤

水层厚度≥C水t/CL（一般水浸探伤要求）式中：CL--板材纵波速度；t--板厚；C水--水中声速

当采用：

一次重合法探伤时有：H= C水t/CL 二次重合法探伤时有：H=2C水t/CL 三次重合法探伤时有：H=3C水t/CL 四次重合法探伤时有：H=4C水t/CL

。。。

2、薄板的兰姆波探伤

①激发兰姆波的条件：仪器有足够高的发射功率和足够宽的发射脉冲；仪器工作频率范围在0.6-10MHz；探伤压电晶片最好采用矩形晶片，且短边与板面平行，长边至少为板厚的7-10倍，以利于入射波束与反射波束充分重叠干涉形成兰姆波。

②兰姆波模式的选择：

[1]入射角的选择：用可变角探头实际调试，采用被检板材端面反射回波幅度高、前沿陡峭、传播速度快的兰姆波入射角。

[2]波型鉴定：在示波屏上观察兰姆波的特征—板端回波在探头前后移动时是连续移动的（横波则是跳跃式移动的）；声程越大，距离越远，波形包络越宽（横波不变宽）；入射角变化时声速发生变化（横波速度不变）；将回波展宽时可见兰姆波是一个规则的中间高、两边低的包络（横波可分离成单个、各自独立的来自板端棱角的回波）。

波速鉴别法：如下图所示

将探头如图左放置，观察板端回波的位置，然后放到厚度为原板材厚度两倍的试板上（如图左），此时因板厚改变使频率×板厚关系变化，兰姆波的速度将改变，因而板端回波位置变化（一般为消失），而横波速度不会因板厚改变而变化，在薄板上的声程相差不大，故其板端回波仍基本上在原来位置。

[3]模式鉴定：利用频率与板厚乘积关系，在相应材料的相速度曲线图上查出相速度，按下式求出相应入射角：

sinα=CL/CP 式中：CL--斜楔的纵波速度；CP--在板材中可激模式的相速度 注：有的相速度曲线图上已在纵坐标上直接标明入射角度。