超声波检测主要公式

1、ut 主要公式共13 页 第 1 页超声波检测主要公式1. 物理基础部分 :1.11ftf 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 .1.2cf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:1.3ya cos(tx / c)a cos( tkx)2圆频率 ,即1秒钟内变化的弧度数.2 ft2k波数 .kcut 主要公式共13

2、 页 第 2 页1.4i pm22zi 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 zc1.5db20 lg p120lg h1p2h 2p1和p2两个比较声压 .分母中的 p2为基准声压 .h1和h 2两个比较的反射回波幅 度.分母中的 h 2为基准反射回波幅度 .1.6声速 ceke 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.f / s即 : el / l介质的密度 等于介质的质量m与其体积 之比即m /

3、 v.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1与纵向相对伸长l / l,d / d之比 ,即1 /1.7在钢中 cl / ct1.82;cr0.92ct1.8反射折射定律sinlsin l,sin tsin lsin tcl1cl 1ct1cl 2ct 2l,l, ,t 分别是第一介质的纵波 入射角 ,纵波反射角 ,横波反射角 .cl1 ,ct1, cl 2 , ct 2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l,t分别是第二介质纵波折 射角,横波折射角ut 主要公式共13 页 第 3 页1.9第一临界角 : 纵波斜入射时 ，第二介

4、质折射纵波的折 射角等于 90o时的纵波入射角为第一临界角 。isin 1 cl1; 有机玻璃 / 钢 : i27.2o ;水 / 钢 : i 14.7ocl 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 90o 时的纵波入射角为第二临界角 。iisin 1 cl1 ;有机玻璃 / 钢 : ii56.7o; 水 / 钢 : ii 27.7oct 2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90o 时的横波入射角为第三临界角 。iiisin 1 ct1; 钢 / 空气 : iii 33.2ocl11.10垂直入射时的反射率和 透过率声压反射率 : 反射声

5、压 pa与入射声压 p之比 .paz2z1r ppz1z2声压透过率 : 透过声压 pt与入射声压 p之比t ppt2z2;pz1 z 2故 :1 r pt p声强反射率 : 反射声强 i a 与入射声强 i 之比.ri ar p2i声强透过率 : 透过声强 i t与入射声强 i 之比.di t1 rp2 ;i故 : r d 1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 .tppt,ptpt,tp 1 tp 2 1 rp2 ; 故tp在数值上等于 dppptut 主要公式共13 页 第 4 页1.11超声波垂直入射平面界面的四种常见情况:z2z1如超声波从水入射至钢中 :

6、 r p461.51rp1.9731.50.973; tp46z2z1如超声波从钢入射至水中 : r p1.5461rp0.063460.937;t p1.5z如超声波入射到钢试件底面探头直接置于空气中:z1;2r p0.0004460461;t p 1 rp0.0004z1z2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 1%,故 r p0.0110.5%; t p 1 rp1.99ut 主要公式共13 页 第 5 页1.12多层平面上垂直入射的反射率与透过率情况: 均匀介质中的异质薄层 (z1z3z2 )2sin2 2 d21m1声压反射率 : r4m2211m1si

7、n2 2 d24m2声压透过率 : t1211m1sin2 2 d24m2d2异质薄层厚度 ;2 异质薄层中的波长 ;m 两种介质声阻抗之比 , m z1 z2由上述公式可知 :当d2n2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.( a).2n,当d2( 2n1)2为正整数 时 即异质薄层厚度等于1 波长的奇数倍时, t最低最高.(b).4n,4r 薄层两侧介质不同的双 界面 ( z1 z2z3)如晶片保护膜工件 , 其声强透过率为 :t4z1z32z1z32 cos22 d2z2z1z3sin2 2 d22z22由上式可知 :( a).d2n 2n为正整数 时 :

8、t4z1z32 ; 若薄层厚度等于半波长 的整数倍 ,2z1z3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 .(b).d2(2n 1)2 n为正整数 , 且z2z1 z3时 : t4z1z32 1;超声波全透射 .4z2z1z3z2这对直探头保护膜设计 很重要 .检测中对探头施加较大 压力,d22 d20,r0, t1,回波幅度提高,(c).o, sin2故现场检测要保持压力尽可能稳定 .ut 主要公式共13 页 第 6 页1.13衰减系数的测定和计算(1) 试件厚度 :2n200 v1 2db 6dbdb / mm2t(3) 薄试件 (试件中多次底波的声程在未扩散区内

9、)vmndb / mm2( nm)t1.14声压公式(1) 活塞波声压公式p 2 po sind 2s2s4p 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2dut 主要公式共13 页 第 7 页(3) 近场区公式nd 2a4n 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 nn d 2l1 c14 2c2l1第一介质厚度 .c1和 c2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 nn fs cosl1tgs2 costgfs晶片面积 .s2第二介质中的横波波

10、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 b1.64n(4) 指向角公式(a)圆晶片指向角 : o70d(b)正方晶片 (aa)指向角 : o57a(c)长方形晶片 ( ab)指向角 :ao57abo57b(5) 大平底面回波公式ut 主要公式共13 页 第 8 页d 21pbpo 4 sb2两个不同距离大平底面回波的 db差 :db20 lg pb120 lg sb 2;即大平底回波声程差一倍 ,声压差 6db.pb 2sb1(6) 平底孔回波公式pd 22po4 s 4 s两个不同距离和不同孔 径平底孔回波声压的db差:dbp 140 lg1 s220

11、lg2 s1p 2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ppod 214 s22s两个不同距离不同孔径长横孔的回波声压 db差 :pdb20 lgp110lg 1 s2322 s13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d 2l短短p短po 4 s短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1 s短4 2l短21db 20 lg p短210 lg短2 s短41l 短2 2同孔径 ，声程差一倍

12、 ，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ut 主要公式共13 页 第 9 页d 2dpdpo 4 sd4sd两个不同孔径不同距离的球孔回波声压db差 :db 20 lg pd120 lg d1sd22pd 2d2sd21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 :p实po 4ds21;即实心圆柱体径向检测 的底波声压与大平底回 波声压相同.sb2(b)空心圆柱体从外圆面径 向检测 ,其圆柱曲

13、底面回波声压 为 :p外po 4ds21dsb2dd 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 :21ddsp内po 4 sb2d(11) 不同距离处的大平底与平底孔回波声压 db 差:pb2 sf2db 20 lg20lgp fd f2 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 ):db 20lgpb20lg2 sf2s )2 (sp fd f2fbsb(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):ut 主要

14、公式共 13 页 第 10 页db 20 lgp 140lg1s22 (s2s1 )p 22 s12. 缺陷位置2.1 平面检测2.1.1 声程定位(a)缺陷水平距离ksfl fsf sinn f sin1k 2(c) 缺陷深度一次波 : d f 1sf 1cosnl f 1sf 1f 1cos1 k 2k二次波 : d f 22tsf 2 cosl f 22tk三次波 : d f 3sf 3 cos2tl f 32tk四次波 : d f 44tsf 4 cosl f 44tk2.1.2 水平定位(a)缺陷水平距离l fn f(b)缺陷深度d fn f (当缺陷分别是二次波、三次波或四次波发现

15、时,按 2.1.1 方法k计算缺陷深度 )2.1.3 深度定位(a)缺陷水平距离l fkn fut 主要公式共 13 页 第 11 页(b)缺陷深度d fn f (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hr(kd )2( rd) 2r-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l r tg 1 kd180r d2.2.2 圆柱曲面内孔检测(a)缺陷深度hkd 2rd 2rr-试件内半径 .(b)缺陷水平弧长l r tg 1 kd180r d2.2.3 横波外圆周向探

16、测圆柱形筒体试件时的最大探测厚度tmtm11 sin1 1kd221 k23. 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ut 主要公式共 13 页 第 12 页x0.76 dd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x13 d cos30o1.3d2d 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x2d cos35.6o 15900 d cos18.8o1.67d232303.361反射波 (在 i i w 试块上的声程 )x6170 25 cos61o35 25 sin 61o 59008232303.445反射波 (在 i i w 试块上的声程 )x4570 25 cos45o35 25 sin 45o704 钢板水浸检测水层厚度公式l nt c水c钢l 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x0.251r0.458r2r 小径管外半径r 小径管内半径ut 主要公式共 13 页 第 13