超声波检测主要公式.docx
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超声波检测主要公式
超声波检测主要公式
1.物理基础部分：
1.1
f1
T
f频率：
单位时间内质点振动的次数；
T周期：
质点完成一次完全振动所需时间.
1.2
c
f
波长,波在一个周期内所传播的路程；
c波速，波在单位时间内所传播的距离
1.3
yAcos（tx/c）Acos（tkx）
圆频率，即1秒钟内变化的弧度数.2f
k波数.k
1.4
2
I_Em
2Z
I声强.在垂直声波传播方向上，单位面积上在单位时间内通过的平均声能.p声压弹性质点在传播声时，相邻质点所受到的附加压力.
Z声阻抗.其能直接表示介质的声学性质.数值上Zc
1.5
dB20lg-Pl20lg也
p2H2
P1和p2两个比较声压.分母中的p2为基准声压.
已和h2两个比较的反射回波幅度.分母中的h2为基准反射回波幅度.
1.6
声速cEk
V
E介质的杨氏弹性模量，等于介质承受的拉应力F/S与相对伸长L/L之比.即:
E3
L/L
介质的密度.等于介质的质量M与其体积V之比,即M/V
k与介质的泊松比有关的常数.
介质的泊松比，等于介质横向相对缩短1d/d与纵向相对伸长L/L
之比，即1/
1.7
在钢中G/G
1.82;Cr
0.92ct
1.8
反射折射定律
sin|sini
sint
sinl
sint
C11C11
Ct1
C|2
Ct2
l,ht分别是第一介质的纵波
入射角，纵波反射角，横波反射角
cl11ct11c^21ct2分别是第一介质纵波速度,横波速度，第二介质纵波速度,横波速度
I,t分别是第二介质纵波折射角,横波折射角
1.9
第一临界角:
纵波斜入射时，第二介质折射纵波的折射角等于90°时的纵波
入射角为第一临界角。
Isin1Cl1;有机玻璃/钢：
丨27.2°;水/钢：
丨14.7°C|2
第二临界角：
纵波斜入射时，第二介质折射横波的折射角等于90°时的纵波
入射角为第二临界角。
IIsin1C1;有机玻璃/钢:
II56.7°;水/钢:
II27.7°
第三临界角：
横波斜入射至固/气界面，第一介质纵波反射角等于90°时的横波
入射角为第三临界角。
III
sin1色；钢/空气:
Ch
°
hi33.2
2
声强透过率
:
透过声强It与入射声强I之比.
1.10垂直入射时的反射率和透过率
声压反射率:
反射声压Pa与入射声压P之比.
.PaZ2Z1
rp
PPZ1Z2
声压透过率:
透过声压5与入射声压p之比
tP2总遨:
1rPtP
声强反射率:
反射声强Ia与入射声强I之比.
Ia
D¥1rp2;故:
RD1
声压往复透过率:
探头接收的返回声压pt与入射声压p之比.
TpPiPlPitp1tp21r；;故Tp在数值上等于D
PPPt
1.11
超声波垂直入射平面界面的四种常见情况
⑴Z2
⑵Z2
⑶Z2
乙如超声波从水入射至钢中：
rp
乙如超声波从钢入射至水中：
rp
461.5
1.546
1.546
461.5
0.973;tp
1rP
1.973
0.937;tp1rp0.063
乙如超声波入射到钢试件底面;探头直接置于空气中
0.000446
460.0004
1；tp1rp0
⑷Z1Z2如超声波入射至普通碳钢焊缝金属与母材金属界面:
因两者声阻抗仅差约％故rp需俘"1rp1
1.12
多层平面上垂直入射的反射率与透过率情况
⑴均匀介质中的异质薄层（ZiZ3Z2）
声压透过率:
t
d2
2
L
2
1
1
.22d2
-
m
——
sin
4
m
2
2
1
1
1
.22d2
—m
—
sin
4
m
2
1
声压反射率:
r
2
1m
14
1
22d2
sin
异质薄层厚度；异质薄层中的波长
m两种介质声阻抗之比
Z2
由上述公式可知
（a）当d2n2n为正整数时,r0,t1,超声波全透过，几乎无反射，常称为半波透声层.
2
（b）当d2（2n1）2n为正整数时,即异质薄层厚度等于1波长的奇数倍时，t最低r最高.
44
⑵薄层两侧介质不同的双界面（Z1Z2Z3）
如晶片保护膜工件,其声强透过率为:
4Z1Z3
Z32cos2
2
Z2
Z1Z3
Z2
2
.22d2sin一
2
由上式可知
（a）.d2n2n为正整数时:
T
2
4Z1Z3
若薄层厚度等于半波长
的整数倍
Z3
（b）.d2（2n1）」n为正整数，且Z?
Z1Z3时:
T
4Z1Z3
—1；超声波全透射
4
乙Z3
Z2
Z2
这对直探头保护膜设计很重要.
（c）.检测中对探头施加较大压力,d2
O,sin2d2
0,r0,t
1,回波幅度提高，
则通过薄层的声强透过
率T与薄层的性质无关，好象不存在薄层一样
故现场检测要保持压力尽可能稳定.
2
1.13
衰减系数的测定和计算
（1）试件厚度：
2NVmn（dB）20lg-
mdB/mm
2（nm）T试件的单程衰减系数
Vmn试件m次与n次底波的dB差
20lg-底波的声扩散dB值m
底波的反射损失dB值
（2）试件厚度＞200伽
dB/mm
M2dB6dB
2T
（3）薄试件（试件中多次底波的声程在未扩散区内
Vmn
2（nm）T
dB/mm
1.14
声压公式
（1）活塞波声压公式
2p°sin—
S2
p离声源距离S处的声压po声源的起始声压
D声源直径
（2）球面波声压公式
po；DS
（3）近场区公式
D2A
4
近场区长度,声轴线上最后一个声压极大值点至声源的距离
A晶片的面积.
（a）第二介质剩余近场区长度N'
N'
D2
C2
ll第一介质厚度.
C|和Q第一和第二介质声速.
2第二介质声波波长.
（b）横波在第二介质中的近场区长度N'
N'
Fscos
s2COS
ll
tg
tg
Fs晶片面积.
s2
第二介质中的横波波长
l1入射点至晶片距离
纵波入射角
横波折射角
（c）非扩散区长度b~1.64N
（4）指向角公式
（a）圆晶片指向角：
°70—
（b）正方晶片（aa）指向角：
°57-
a
（c）长方形晶片（ab）指向角：
57-
a
57b
（5）大平底面回波公式
Pb
Po
D21
4Sb2
两个不同距离大平底面
回波的dB差:
倍,声压差6dB.
dB20lg匹20lg鱼;即大平底回波声程差
pB2SB1
（6）平底孔回波公式
D2
两个不同距离和不同孔径平底孔回波声压的dB差:
p11S2
dB20lg-40lg4
P22S
同孔径，声程差一倍,平底孔回波声压差12dB;
同声程,孔径差一倍,平底孔回波声压差12dB.
（7）长横孔回波公式
D21「
ppo-
4S2*2S
两个不同距离不同孔径长横孔的回波声压dB差:
dB20lg巳lOlg-1^
P22S1
同孔径，声程差一倍,长横孔回波声压差9dB;
同声程,孔径差一倍，长横孔回波声压差3dB.
（8）短横孔回波公式
D21短f短
Po疋2S短
两个不同孔径，不同距离的短横孔回波声压dB差:
P短1短121短1
dB20lg——10lg—
P短2短2s®1l短2
同孔径，声程差一倍，短横孔回波声压差12dB;同声程，孔径差一倍，短横孔回波声压差3dB.
（9）球孔回波公式
Pd
D2d
Po4Sd4Sd
两个不同孔径不同距离
的球孔回波声压dB差:
dB20lg皿20lg^^
Pd2d2Sd1
同孔径，声程差一倍，球孔回波声压差12dB;
同声程，孔径差一倍，球孔回波声压差6dB.
（10）圆柱曲底面回波公式
（a）实心圆柱体径向检测时，其圆柱曲底面回波声压为:
Ds2
Po4Sb
丄即实心圆柱体径向检测
2'
的底波声压与大平底回
波声压相同
（b）空心圆柱体从外圆面径向检测，其圆柱曲底面回波声压为:
Ds21:
d
p外Po-
4SB2，D
D空心圆柱体外圆直径.
d空心圆柱体内孔直径.
（c）空心圆柱体从内孔面径
向检测,其圆柱曲底面回波声压为:
（11）不同距离处的大平底与平底孔回波声压dB差:
dB20lgPB
Pf
20lg22S2
D：
Sb
（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）：
dB20lg匹
Pf
20lg^Df2（SfSb）
DfSB
（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）：
p11S2
dB20lg上140lg-^2（S2S）
P22s）
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
lfSfsin
nfsin
kSf
（c）缺陷深度
一次波:
df1
Sf1
cos
n
f1cos
lf1
k
二次波:
df2
2T
Sf2
cos
2T
lf2
k
三次波:
df3
Sf3
cos
2T
lf3
k
2T
四次波:
df4
4T
Sf4
cos
4T
lf4
k
1k2
Sf1
"Ck2
2.1.2水平定位
（a）缺陷水平距离
lfnf
（b）缺陷深度
nf
df-（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）
k
2.1.3深度定位
（a）缺陷水平距离
lfknf
（b）缺陷深度
dfnf（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
⑻缺陷深度
HR（kd）2（Rd）2
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
R1kd
Itg-
180Rd
2.2.2圆柱曲面内孔检测
⑻缺陷深度
hkd2rd2r
r-试件内半径（b）缺陷水平弧长
1kd
rd
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Tm
sin
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
x0.76d
d试件在晶片直径方向宽度
3.2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
x-i—dcos30o1.3d
2
d圆柱体试件的直径
3.2.2纵波-横波-纵波的三角形回波声程
o15900°
x2dcos35.6odcos18.8o1.67d
23230
3.361°反射波（在IIW试块上的声程）
oo5900
X617025cos61o3525sin61°82
3230
3.445°反射波（在IIW试块上的声程）
x457025cos45o3525sin45°70
4钢板水浸检测
水层厚度公式
0水
InT-
c钢
I水层厚度
n重合次数
T钢板厚度
c水水的纵波速度
C钢钢的纵波速度
5小径管水浸检测
5.1偏心距x
偏心距平均值x丄2^
2R小径管外半径
r小径管内半径
5.2焦距F
FHR2X2
H水层厚度
5.3声透镜的曲率半径
F2.2r'
即r'0.455F
r'声透镜曲率半径
6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）
dBbs
20lg-PB
PS
20lg
1r2
r复合界面声压反射率.r
Z2乙
乙Z2
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'
dBBS
20lg
Pb
Ps
20lg（1
r2）r'
r
r'底面声压反射率.r'
Z3乙
Z2Z3
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