超声波检测主要定律

超声波检测主要公式1.物理基础部分:.;11.1所需时间质点完成一次完全振动周期次数单位时间内质点振动的频率：T：fTf--=的距离波在单位时间内所传播波速的路程波在一个周期内所传播波长,;,2.1--=cfcλλ设B为波线上任意一点,距原点O的距离为x.因为振动从O点传播到B点所需的时间为x/c,所以B点处质点在时间t的位移等于O 点上质点在时间(t-x/c)的位移,即:λπωππωωωω2.22.1,)cos()/(cos3.1==-==--=-=ckkTfkxtAcxtAy波数秒钟内变化的弧度数即圆频率cZ Z p I Zp I m ρ=---=数值上学性质其能直接表示介质的声声阻抗压力相邻质点所受到的附加弹性质点在传播声时声压内通过的平均声能单位面积上在单位时间在垂直声波传播方向上声强...,..,.24.12....lg 20lg205.12212212121为基准反射回波幅度分母中的度两个比较的反射回波幅和为基准声压分母中的两个比较声压和H H H p p p H Hp p dB --==∆εεσεεσσρρρ/,//,./,.//:.//,6.111=∆=∆=--=-∆=∆-⋅=即之比与纵向相对伸长等于介质横向相对缩短介质的泊松比有关的常数与介质的泊松比即之比与其体积等于介质的质量介质的密度即之比与相对伸长等于介质承受的拉应力介质的杨氏弹性模量声速L L d d k VM V M LL S F E L L S F E kEc横波折射角射角分别是第二介质纵波折横波速度第二介质纵波速度横波速度度分别是第一介质纵波速横波反射角纵波反射角入射角分别是第一介质的纵波反射折射定律,,,,,,,,.,,,,sin sin sin sin sin 8.12211,2211,1---====t l t l t l t l l t tl l t t l l l l c c c c c c c c c ββαααββαααtr t l c c c c 92.0;82.1/7.1≈≈在钢中oIII l t III o o II o II t l II o oI o I l l I o c c。

，：c c 。

，：c c。

，2.33:/;sin 90/7.27:/;7.56:/;sin 907.14:/;2.27:/;sin 90:9.1111211211========---αααααααα空气钢入射角为第三临界角时的横波于第一介质纵波反射角等气界面横波斜入射至固第三临界角钢水钢有机玻璃入射角为第二临界角时的纵波射角等于第二介质折射横波的折纵波斜入射时第二临界角钢水钢有机玻璃入射角为第一临界角时的纵波射角等于第二介质折射纵波的折纵波斜入射时第一临界角D T r t t p pp p p p T p p D R r II D I I r II R I I t r Z Z Z p p t p p Z Z Z Z p p r p p p p p p ttt tp t p tt p aa pp t p t a p a 在数值上等于故之比与入射声压探头接收的返回声压声压往复透过率故之比与入射声强透过声强声强透过率之比与入射声强反射声强声强反射率故之比与入射声压透过声压声压透过率之比与入射声压反射声压声压反射率透过率垂直入射时的反射率和;1.:1:;1.:.:1:;2:.:10.1221,,,222122112-=⋅=⋅===+-=====++==+-==11%;5.099.101.0%,1:01;10004.046460004.0:;063.01;937.05.146465.1:973.11;973.0465.15.146::21121212≈+===≈=+=-≈+-=<<=+=-=+-=<=+==+-=>p p p p p p p p p p p p r t r Z ⑷Z r t r Z ⑶Z r t r Z ⑵Z r t r Z ⑴Z 故因两者声阻抗仅差约界面钢焊缝金属与母材金属如超声波入射至普通碳探头直接置于空气中底面如超声波入射到钢试件中如超声波从钢入射至水中如超声波从水入射至钢面的四种常见情况超声波垂直入射平面界()()()()()().,,1,0,02sin ,,).(..;14:,4)12().(.,,;4:2).(:2sin 2cos 4:,)(.,41,4)12().(.,,,1,0,2).(:,;;2sin 14111:2sin 14112sin 141:)(:2222231231312222313122222223122222313132122222122222222222222231尽可能稳定故现场检测要保持压力回波幅度提高压力检测中对探头施加较大很重要这对直探头保护膜设计超声波全透射时且为正整数好象不存在薄层一样与薄层的性质无关率则通过薄层的声强透过的整数倍若薄层厚度等于半波长时为正整数由上式可知其声强透过率为工件保护膜如晶片界面薄层两侧介质不同的双最高最低波长的奇数倍时即异质薄层厚度等于时为正整数当常称为半波透声层几乎无反射超声波全透过时为正整数当由上述公式可知两种介质声阻抗之比异质薄层中的波长异质薄层厚度声压透过率声压反射率均匀介质中的异质薄层反射率与透过率情况多层平面上垂直入射的→→→→=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=⋅=+=+==⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++=--≠≠⋅+=≈≈⋅==---⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛-=≠=t r d O d c Z Z Z Z Z Z T Z Z Z n n d b T Z Z Z Z T n nd a d Z Z Z Z d Z Z Z Z T Z Z Z ⑵r t n n d b t r n n d a Z Z m m d d m m t d m m d m m r Z Z Z ⑴λπλλλπλπλλλλπλπλπ1.13衰减系数的测定和计算 (1) 试件厚度:2N<T ≤200㎜值底波的反射损失值底波的声扩散差次底波的次与试件试件的单程衰减系数dB dB mndB n m V mmdB Tm n m n dB V n m n m -------=--δαδαlg20/)(2lg20)( (2) 试件厚度>200㎜()mm dB TdB dB V /2621δα--=-(3) 薄试件(试件中多次底波的声程在未扩散区内)mm dB Tm n V n m /)(2--=-δα1.14 声压公式(1) 活塞波声压公式声源直径声源的起始声压处的声压离声源距离---⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=D p S p S S D p p o o 224sin 2λπ (2) 球面波声压公式SD p p o λπ42=(3) 近场区公式..,42晶片的面积极大值点至声源的距离声轴线上最后一个声压近场区长度--=≈A N A D N πλλ (a) 第二介质剩余近场区长度N ’...4'221121122第二介质声波波长第一和第二介质声速和第一介质厚度----=λλc c l c c l D N(b) 横波在第二介质中的近场区长度N ’.....cos cos '1212横波折射角纵波入射角入射点至晶片距离第二介质中的横波波长晶片面积------=βαλβααπλβl F tg tg l F N s s s s(c)非扩散区长度b ≈1.64N (4) 指向角公式bab ac aa ab Da b o a o o o λθλθλθλθ5757:)()(57:)()(70:)(==⨯=⨯=指向角长方形晶片指向角正方晶片圆晶片指向角(5) 大平底面回波公式.6,;lg 20lg 20:21412212dB S Sp p dB dB S D p p B B B B B o B 声压差倍即大平底回波声程差一差回波的两个不同距离大平底面==∆⋅=λπ(6) 平底孔回波公式.12,,;12,,lg 40lg 20:4412212122dB dB S Sp p dB dB S S D p p o 平底孔回波声压差孔径差一倍同声程平底孔回波声压差声程差一倍同孔径差径平底孔回波声压的两个不同距离和不同孔φφλπφλπφφφφφ==∆⋅= (7) 长横孔回波公式.3,,;9,,lg10lg 20:2214312321212dB dB S S p p dB dB S S D p p o 长横孔回波声压差孔径差一倍同声程长横孔回波声压差声程差一倍同孔径差长横孔的回波声压两个不同距离不同孔径ϕϕϕλπϕϕϕϕϕ==∆⋅=(8) 短横孔回波公式.312lg 10lg 20242241221421212dB ，，dB ；，，l S l S p p dB ：dB ，S l S D p p o 短横孔回波声压差孔径差一倍同声程短横孔回波声压差声程差一倍同孔径差声压不同距离的短横孔回波两个不同孔径短短短短短短短短短短短短短φφλφλπ==∆⋅=(9) 球孔回波公式.6,,;12,,lg 20lg 20:44212221212dB dB S d S d p p dB dB S dS D p p d d d d dd o d 球孔回波声压差孔径差一倍同声程球孔回波声压差声程差一倍同孔径差的球孔回波声压两个不同孔径不同距离==∆⋅=λπ(10) 圆柱曲底面回波公式dD S D p p c d D Dd S D p p b S D p p a B S o B S o B S o 214:,)(..214:,)(.;214:,)(222⋅=--⋅=⋅=λπλπλπ内外实为其圆柱曲底面回波声压向检测空心圆柱体从内孔面径空心圆柱体内孔直径空心圆柱体外圆直径为其圆柱曲底面回波声压向检测空心圆柱体从外圆面径波声压相同的底波声压与大平底回即实心圆柱体径向检测为其圆柱曲底面回波声压实心圆柱体径向检测时(11) 不同距离处的大平底与平底孔回波声压dB 差:Bf f f BS D S p p dB 222lg 20lg 20πλ==∆(12) 考虑衰减系数时, 不同距离处的大平底与平底孔回波声压dB 差(即与探伤仪实测情况对应):)(22lg 20lg 2022B f Bf f f BS S S D S p p dB -+==∆απλ(13) 考虑衰减系数时, 不同距离不同孔径两平底孔回波声压dB 差(即与探伤仪实测情况对应):)(2lg 40lg2012122121S S S Sp p dB -+==∆αφφφφ 2. 缺陷位置 2.1平面检测 2.1.1声程定位 (a)缺陷水平距离21sin sin kkS n S l f f f f +=⋅=⋅=βτβ(c) 缺陷深度kl T S T d T kl T S d k l T S T d k S k l n S d f f f f f f f f f f f f f f 4443332222111114cos 4:22cos :2cos 2:1cos cos :-=-=-=-=-=-=+==⋅=⋅=ββββτβ四次波三次波二次波一次波2.1.2水平定位 (a)缺陷水平距离f f n l τ=(b)缺陷深度kn d f f τ=(当缺陷分别是二次波、三次波或四次波发现时,按2.1.1方法计算缺陷深度) 2.1.3深度定位 (a)缺陷水平距离f f kn l τ=(b)缺陷深度f f n d τ=(当缺陷分别是二次波、三次波或四次波发现时,按2.1.1方法计算缺陷深度)2.2曲面检测2.2.1圆柱曲面外圆检测(a)缺陷深度22)()(d R kd R H -+-=R-试件外半径;k-探头k 值;d-平板试件中的缺陷深度(b)缺陷水平弧长dR kd tg R l -=-1180π 2.2.2圆柱曲面内孔检测(a)缺陷深度 ()()r d r kd h -++=22 r-试件内半径.(b)缺陷水平弧长dr kd tg r l +=-1180π 2.2.3横波外圆周向探测圆柱形筒体试件时的最大探测厚度T m ()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=-≤21121sin 121k k D T m β 3. 迟到波、三角形回波和61°波3.1纵波迟到波在钢中迟到距离度试件在晶片直径方向宽-≈∆d dx 76.03.2圆柱体试件径向检测时的三角形回波3.2.1纵波-纵波-纵波的三角形回波声程圆柱体试件的直径-≈=d d d x o 3.130cos 231 3.2.2纵波-横波-纵波的三角形回波声程d d d x o o 67.18.18cos 32305900216.35cos 2≈⋅+= 3.3 61°反射波(在I I W 试块上的声程)()823230590061sin 253561cos 257061≈⋅-+⋅-=o o x 3.4 45°反射波(在I I W 试块上的声程)7045sin 253545cos 257045≈⋅-+⋅-=o o x4 钢板水浸检测水层厚度公式钢的纵波速度水的纵波速度钢板厚度重合次数水层厚度钢水钢水-----=c c T n l c c nT l5 小径管水浸检测5.1偏心距x小径管内半径小径管外半径偏心距平均值--+=r R r R x 2458.0251.05.2焦距F水层厚度--+=H x R H F 225.3声透镜的曲率半径声透镜曲率半径即-=='455.0''2.2r F r r F6 复合层检测6.1复合良好时,底面回波与复合界面回波的dB 差(底面与空气接触,超声波在底面全反射)21122.1lg 20lg 20Z Z Z Z r r rr p p dB S B BS +-=--==∆复合界面声压反射率 6.2复合良好时,底面回波与复合界面回波的dB 差(超声在底面不是全反射,底面反射率为r ’)32232'.'')1(lg 20lg 20Z Z Z Z r r rr r p p dB S B BS +-=--==∆底面声压反射率。