超声波检测用公式

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=20lg（πX BΦ2/2λX f2）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X B为大平底声程（探测到工件地面的工件厚度）；X f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X B=X f，则公式简化为Δ=20lg（πΦ2/2λX f），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=20lg（dX B/2X f2）dB d为当量球孔直径，用途同上。（3）长横孔对大平底：Δ=10lg（ψX B2/2X f3）dB ψ为当量长横孔直径，用途同上。（4）短横孔对大平底：Δ=10lg（L2ψX B2/λX f4）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=40lg（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=20lg（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=10lg（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=10lg（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=20lg（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=20lg（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2

2、纵波圆形晶片的有效直径D e

D e =

097.04D f NC

e

f e 为回波频率；0D 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/D e

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/D e 与θ-3dB ≈25λ/a 4、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 ≥0.65X

5、界面上的反射与折射

2

2

221

1

1

1

1

1

1

sin

sin

sin

sin

sin

sin

1

S S L L S S S S L L L L

C C C C θθθθβαβα===== 1

L α--纵波入射角 1L β--横波入射角 1S α--纵波反射角 1S β--横波反射角 2L θ--纵波折射角

2S θ--横波折射角

第一临界角：αⅠ=arcsin （C L1/C L2）

第二临界角：αⅡ=arcsin （C L1/C S2）

C L1为第一介质纵波声速 C L2为第二介质纵波声速 C S2为第二介质横波声速 6、瑞利波入射角

αR =arcsin （C L1/C R ）≥arcsin （C L1/C S2）

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：C S ≈0.55 C L C R ≈0.92 C S 铝：C S ≈0.49 C L C R ≈0.93 C S

二、绘制A VG 曲线面板的计算公式

1、标准化距离：A=X/N 0 (X-距离；N 0-近场长度)

2、标准化缺陷（当量）：G=Φ/D 0（Φ-平底孔直径；D 0-圆形晶片直径）

3、底波振幅曲线：V B =20 p lgB/p 0=20lg （π/2A ）

（p-底面回破声压；B-工件厚度；p 0-初始声压；A-晶片面积）

4、平底孔回波振幅：V Φ=20lg （p f / p 0）=20lg （π2G 2/A 2） (p f -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H B 的比例系数：K=H B /（π/2A ）

三、横波探伤中的几何关系

21K Y S +?= 2

1K

K S X +?

= 2

11K

S Y +?

=

K=tg β β-折射角

直射法 x 1=Ky 1 y 1=x 1/K

一次反射法 x 2=Ky 2’ y 2=2t- y 2’=2t-s 2cos β 二次反射法 x 3=Ky 3’ y 3= y 3’ -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D e

π

αβ

e e A D D 2cos cos 0

== 式中D 0-晶片的名义直径； A e —晶片有效面积； A e =（cos β/cos α）A （A 为晶片的实

际直径）。

横波探伤中的近场区长度N 为：N=A e /πλ 式中N-总近场长度；λ-工件中的波长；A e –晶片的有效面积。

在工件中的近场：N A =N-S 2，S 2为有效位置，S 2=（C S2/ C L1）S 1，C S2为第二介质横波速度；C L1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

适合采用 2

2

2lg 20f

B X X dB λπΦ=?，以底波方式调整探伤起始灵敏度检测棒材的情况，其条件应满足：棒材直径ψ≥3.7N ；单晶直探头的晶片直径应为：D 2/2≤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=a·tgα=arcsin[(C L /C S ) ·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-(C S /C 水) ·sinα]=R[1-(C S /C L )] 式中：α—第一临界角；R —棒材的半径

水浸探头偏心距的调整：

α=arcsin[(C 水/C S ) ·sinβ]

由于α=θ，X/R=sin θ= sin α 所以：偏心距X= R ·sin α= R ·[(C 水/C S ) ·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 ）。

六、管材的周面弦向横波探伤

1、 满足t/D ≤0.5[1-(C S2/C L2)]的管材： C S

2、C L2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(C L1/C L2) ＜α＜sin -1(C L1r/C S2R) 式中：C L1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/C L2) ≤X ≤(C 水r/C S2)

在水-钢界面情况下，偏心距为0.253R ≤X ≤0.461r X=R （C 水/C S ）sin β 其中：

sinα=[1-(2t/D)](C L1/C S2)=2X/D=X/R; sinβ=[1-(2t/d)]=(C S2/C L1)sinα 最佳水层厚度：22X R F H --

=

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-(C S2/C L2)]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/C L（一般水浸探伤要求）式中：C L --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/C L

二次重合法探伤时有：H=2C水t/C L

三次重合法探伤时有：H=3C水t/C L

四次重合法探伤时有：H=4C水t/C L

。。。。。。

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=C L/C P式中：C L --斜楔的纵波速度；C P --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。