超声检测实际应用公式_技术

[1]一般公式

不同反射体的回波声压比

平底孔对大平底：Δ=20lg（πxBΦ2/2λxf2）（dB）

用途：用于以底波方式调整超声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-探测面到工件底面的工件厚度；xf为平底孔声程-缺陷埋藏深度；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测工件材料中的波长。在按照最大声程调整探伤起始灵敏度时，设xB=xf，则公式简化为：Δ=20lg（πΦ2/2λxf）（dB），黑白密度计http://www.heibaimiduji.com即将直探头良好地耦合在探测面上，调整仪器增益，使工件底面的第一次回波高度达到示波屏上的某一刻度（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（或减少衰减器的衰减量）。在探伤过程中发现有缺陷回波高度超过预定的示波屏刻度（例如上面预定在50%）时，可根据将该回波高度降至预定刻度所需的Δ分贝（dB）值和缺陷埋藏深度，按照公式计算出Φ当量值。

球孔对大平底：Δ=20lg（dxB/2xf2）（dB）d为当量球孔直径，用途与上同理

长横孔对大平底：Δ=10lg（φxB2/2xf3）（dB）φ为当量长横孔直径，用途与上同理

短横孔对大平底：Δ=10lg（L2φxB2/λxf4）（dB）φ为当量短横孔直径，L为当量短横孔长度，用途与上同理

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（由探伤仪测定）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的平底孔当量小，反之则大

球孔对球孔：Δ=20lg（d1x22/d2x12）（dB）两个不同声程、不同直径的球孔回波声压比，用分贝表示

用途与上同理

长横孔对长横孔：Δ=10lg（φ1x23/φ2x13）（dB）两个不同声程、不同直径的长横孔回波声压比，用分贝表示

用途与上同理

短横孔对短横孔：Δ=10lg（φ1x24/φ2x14）（dB）

两个不同声程、不同直径、相同长度的短横孔回波声压比，用分贝表示，用途与上同理

大平底对大平底：Δ=20lg（x2/x1）（dB）用于验证被检工件材质衰减状况

回波幅度比：Δ=20lg（H2/H1）（dB）

在以波幅高度法探伤时，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波幅高度的差异

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Δ值应是相对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

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Δ值应是相对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

纵波圆形晶片的有效直径De：

fe为回波频率；D0为晶片名义直径；N为近场长度；C为材料中声速。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

声束的指向性：

圆形晶片的声束指向性：零扩散角θ0≌70λ/De负3dB扩散角θ-3dB≌29λ/De

比声束轴线声压低3dB的对应点构成的声束之扩散角

方形晶片的声束指向性：零扩散角θ0≌57λ/a负3dB扩散角θ-3dB≌25λ/aa-晶片边长

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、探侧面横向尺寸H和L应满足H、L≥0.65x

界面上的反射与折射:sinαL1/cL1=sinβL1/cL1=sinαs1/cs1=sinβs1/cs1=sinθL2/cL2=sinθs2/cs2

αL1-纵波入射角；αs1-横波入射角；βL1-纵波反射角；βs1-横波反射角；θL2-纵波折射角；θs2-横波折射角

第一临界角：αI=arcsin（cL1/cL2）

第二临界角：αII=arcsin（cL1/cs2）

式中：cL1为第一介质纵波声速；cL2为第二介质纵波声速；cs2无损检测资源网为第二介质横波声速

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°

横波、纵波、瑞利波在同一材料中的声速差异：

钢：cs≈0.55cL；cR≈0.92cs；铝：cs≈0.49cL；cR≈0.93cs；

[2]绘制AVG曲线面板的计算公式

标准化距离：A=x/N0（x-距离；N0-近场长度）标准化缺陷（当量）：G=Φ/D0（Φ-平底孔直径；D0-圆形晶片直径）

底波振幅曲线：VB=20plgB/p0=20lg（π/2A）（p-底面回波声压；B-工件厚度；p0-初始声压；A-晶片面积）平底孔回波振幅：VΦ=20lg（pf/p0）=20lg（π2G2/A2）

（pf-距离x处的回波声压）

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）

[3]横波探伤中的几何图形关系

K=tgββ--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

[4]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为：

式中：D0--晶片名义直径；Ae--晶片有效面积，Ae=（cosβ/cosα）A（A为晶片实际面积）

横波探伤中的近场长度N为：N=Ae/πλ式中：N--总近场长度；λ--工件中波长；Ae--晶片有效面积

在工件中的近场：NA=N-S2，S2为有效位置，S2=（CS2/CL1）S1CS2为第二介质横波速度；CL1为第一介质纵波速度

[5]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：Δ=20lg（πXBΦ2/2λXf2）（dB），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φ≥3.7N；单直平探头的晶片直径D应为：D2/2≤φ；

2-棒材周面弦向横波法探伤：有接触法与水浸法两种

接触法：

探头斜楔匹配面磨制方法：先在纸上按欲探伤棒材直径画园，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斜楔置于图上，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毫米的专用园棒（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；α=arcsin[（CL/CS）·sinβ]

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

水浸探头偏心距的调整：α=arcsin[（C水/CS）·sinβ]

由于α=θ，x/R=sinθ=sinα

故：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)

[6]管材的周面弦向横波探伤

1.满足t/D≤0.5[1-(Cs2/CL2)]的管材:CL2、Cs2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：见上左图。探头斜楔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为斜楔的纵波速度

（2）水浸法：见上右图。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）1/2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线上

自动化管材水浸探伤时的重复频率要求：f重=2πRnK/D

式中：R--管材外半径；n--探头与管材相对转速（转/分钟）；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）

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

[7]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

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；仪器工作频率范围应在0.6-10MHz；探头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。

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（如图右），此时因板厚改变使频率x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--在板材中可激励模式的相速度

注：有的相速度曲线图上已在纵坐标上直接标明入射角度。

求出或查出的入射角与[1]、[2]选定的入射角比较，从而确定模式。在必要时，还应进一步测量群速度（左图），利用群速度曲线图来补充确定模式。

群速度测定方法：如左图所示，将探头置于板上，使超声波束入射方向垂直于板端面，测量探头入射点至板端面距离L1，同时记下板端回波在示波屏上对应的时间t1，然后后移探头到L2位置，记下时间t2，则群速度为：V=2（L2-L1）/（t2-t1）

[4]计算由[3]确定的各模式的粒子振动水平分量与垂直分量，从中选取两个或两个以上的模式，使在整个板厚范围内的水平分量都较大--有利于发现缺陷。粒子位移（水平分量U和垂直分量V）的计算公式：

对称型：S模

Us=-(BωRs/V){[(1+Rs2)/(2RL+Rs)][sh(πfdRs/V)/sh(πfdRL/V)]ch(ωRL/V)y-ch(ωRs/V)y}Eiεx

Vs=(Bωi/V){[(1+Rs2)/2RLRs][sh(πfdRs/V)/sh(πfdRL/V)]sh(ωRL/V)y-sh(ωRs/V)y}Eiεx

非对称型：A模