UT常用公式（2020）.pdf

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超声检测基本理论公式1.声速、波长与频率的关系文档资料分享1c=λfλ--波长（m）；f--频率（Hz）；c--声速（m/s）常用λ=c/fλ--波长（㎜）；f--频率（Hz）；c--声速（km/s）2.频率与周期的关系1文档资料分享f=f：频率（Hz）；T：振动一个周期所需时间（s）文档资料分享T3.谐振方程y=+Acos（t）2A--振幅；tt--时间；+=--相位角；--角频率（）；--初相位文档资料分享文档资料分享T4.阻尼振动方程-ty=+Aecos(t)0022--阻尼系数；A--振幅最大值；--角频率，=−00文档资料分享5.受迫振动文档资料分享方程y=+APcos(t)文档资料分享P--策动力的圆频率；--受迫振动的初始相位6.波动方程y=Acosωt一般形式（平面波，波幅文档资料分享A不变）：xy=Acosω（t-）文档资料分享cx平面波方程：y=Acos（t-）c；Ax文档资料分享柱面波方程：yt=cos（-）xc文档资料分享；Ax球面波方程：yt=cos（-）xc7.声速文档资料分享文档资料分享E一般表达式：cK=KBa液体中：c=或L文档资料分享KB—体积弹性模量；—容变弹性模量文档资料分享aE(1−)GE固体中：c=c==LS(1+−)(12)2(1文档资料分享+)文档资料分享文档资料分享文档资料分享 超声检测基本理论公式cc=0.87++1.12G0.871.12文档资料分享2RS11++EG--杨氏弹性模量；--杨氏剪切模量；--密度；--泊松比，00.5若介质为钢，则σ≈0.28cL/cS/cR＝1.8/1/0.9文档资料分享横波、纵波、瑞利波在同一材料中的声速差异：文档资料分享钢：cs≈0.55cL；cR≈0.92cs；铝：cs≈0.49cL；cR≈0.93cs；E细长棒（Φ=）：cL文档资料分享8.波的干涉文档资料分享y1=A1cos(txc−1)y2=A2cos(txc−2)222A=A+A+2AAcos()1212文档资料分享A、A—S、S分别在M点引起的振幅1212AM—点的文档资料分享合振幅文档资料分享—波长—波程差，=−xx21当=n（n为整数）时，A=A+A12；(2n+1)当=（n为文档资料分享整数）时，A=A12−A2文档资料分享驻波：y入=−Acos2(ftx)y=+Acos2(ftx)反y=y+y=2cos(2Ax)cos(2ft)入反9.声压文档资料分享P==ccAu文档资料分享mPuc材料声阻抗：Z===cuu文档资料分享32文档资料分享ρ--材料密度（㎏/m）；c--声速（m/s）；Z--声阻抗（㎏/ms）10.平均声强22222cAcuZuPI====2222Z文档资料分享11.分贝-162文档资料分享I0=10W/㎝Δ=lgI1/I0（Bel）Δ=10lgI1/I0=20lgP1/P0（dB）文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享 超声检测基本理论公式用分贝表示两个声压之比：Δ=20lg（P1/P2）文档资料分享3P1、P2--两个待比较的声压；Δ--对数比较得到的分贝（dB）值用分贝表示两个声强之比：Δ=10lg（I1/I2）I1、I2--两个待比较的声强；Δ--对数比较得到的分贝（dB）值12.奈培文档资料分享文档资料分享Δ=ln（P1/P0）=ln（H1/H0）（NP）P1/P0=e时，Δ=lne=1NPΔ=20lge=8.68dB13.反射与透射文档资料分享文档资料分享在界面两侧的声波，必须符合的两个条件：界面两侧的总声压相等，即：p0+pr=ptp-pp0rt界面两侧的质点振动速度相等，即：=ZZ12pZ−Zp2Z声压反射率：rt=rt=21；声压透射率：==2文档资料分享pZ++ZpZZ文档资料分享021021文档资料分享二者间的关系：1+rt=IZ−ZI4ZZrt222112声强反射率：R==r=()；声强透射率：T==2IZ+ZI()ZZ+021021二者间的关系：R+T=1Z1--为第一种介质的声阻抗，文档资料分享Z2--为第二种介质的声阻抗文档资料分享14.薄层界面的反射率和透射率◼Z1=Z3≠Z2：ΔT2=n·λ2/2时，声波全透射，该声层称为半波声透层；ΔT2=（2n+1）·λ2/4，声压反射率最高；文档资料分享文档资料分享◼Z1≠Z2≠Z3：（1）ΔT2=n·λ2/2时，声波全透射，该声层称为半波声透层；（2）ΔT2=（2n+1）·λ2/4，且Z2=Z1Z3，声波全透射。指导设计直探头保护膜。（3）ΔT2＜＜λ2，声波全透射文档资料分享文档资料分享15.声压往复透射率4Z1Z2T==T往2(Z+Z)21反射与透射（相关）：文档资料分享Zcos−Zcos文档资料分享声压反射率：r=21（声束从第一介质进入第二介质时的界面反射率）pZcos+Zcos21式中：α--声束入射角；β--声束反射角；Z1--第一介质声阻抗；文档资料分享Z2--第二介质声阻抗文档资料分享文档资料分享文档资料分享 超声检测基本理论公式Z−Z当垂直入射时（声束轴线与界面垂直）：r=21文档资料分享4pZ+Z212声强反射率：ri=rp4ZZ212声压往复透过率：T=1−r=（垂直入射）Pp2(Z+Z)21文档资料分享4ZZcoscos12文档资料分享声强透射率：Ti=Tp（数值、形式相同，但物理意义不同）Ti=2（Zcos+Zcos）122Zcos2声压透射率：t=pZcos+Zcos21文档资料分享2Z2文档资料分享垂直入射时：tp==1+rpZ+Z21在多层介质中的声压反射率：21122文档资料分享m−sin4mr=P文档资料分享211221+m−sin文档资料分享4m（m=Z1/Z2）；δ-中间介质层厚度当处于三层介质情况下，中间介质层厚度δ，并且Z1=Z3时，则声压反射率有：δ=nλ/2----rp有最小值；δ文档资料分享=（2n+1）λ/4----rp有最大值（相当于探伤时材料中有缺陷的情况）文档资料分享当Z1≠Z3时：δ=nλ/2----rp最大；δ=（2n+1）λ/4----rp最小（相当于耦合剂、保护膜厚度要求的情况）注：一般在δ/λ＜0.001时绝大多数声能透入工件；δ/λ＞0.001时穿透声能减少文档资料分享文档资料分享16.波型转换遵循斯耐尔定律sinαsinαsinαsinsinLLSLS（1）纵波入射：====cccccL1L1S1L2S2sinsinαsin文档资料分享αsinsinSLSLS（2）横波入射：====ccccc文档资料分享S1L1S1L2S2第一临界角：αI=arcsin（cL1/cL2）第二临界角：αII=arcsin（cL1/cs2）第二临界角：αⅢ=arcsin（cS1/cL1）文档资料分享文档资料分享式中：cL1--第一介质纵波声速；cS1--第一介质横波声速；cL2--第二介质纵波声速；cs2--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°文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享 超声检测基本理论公式17.声压距离公式文档资料分享5平面波：P1=P2PX12球面波：=PX21P1X2文档资料分享柱面波：=文档资料分享P2X118.衰减α=αa+αs式中：α--综合衰减系数；αa--吸收衰减系数；αs--散射衰减系数其中αs包括下述三种情况：式中c2、c3、c4为常数；F为各向异性因素文档资料分享34文档资料分享瑞利散射D＜＜λαs=c2FDf（材料中的晶粒尺寸D远小于波长λ）2随机散射D≌λαs=c3FDf（材料中的晶粒尺寸D与波长λ相当）漫散射D＞＞λαs=c4F/D（材料中的晶粒尺寸D远大于波长λ）衰减系数的测定：文档资料分享BM文档资料分享20lg−BN（1）薄板（nx≤1.64N）：=（dB/mm）文档资料分享2(n−m)xB120lg−6−B2（2）厚板（板厚＞200mm）：=（dB/mm）文档资料分享2xBn文档资料分享M20lg−20lg−BmN（3）2N～200mm：=（dB/mm）2(n−m)x与NB/T47013.3-2015有差异（文档资料分享NB/T47013.3-2015规定T＜3N,且满足nT＞3N，m＝2n；T＞3N时用文档资料分享一次波和二次波）。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≥0.65x19.超声束的近场长度2RDFSSS文档资料分享N===文档资料分享4D--圆形振动晶片直径（mm）；λ--波长（mm）；N--近场长度（mm）222N=（D-λ）/4λ或者：近似为N=D/4λ2cDc11S近场区在两种介质中的分布：N==N2—L文档资料分享—Lcc4文档资料分享222式中：N2--介质Ⅱ钢中近场长度；c1---介质I水中波速；c2--介质Ⅱ钢中波速；λ2--介质Ⅱ钢中波长。文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享 超声检测基本理论公式20.声束指向性文档资料分享6零扩散角（声束边缘的声压为零）：θ0=arcsin1.22λ/D(D为圆形晶片直径)θ0=arcsinλ/a(a为方形晶片边长)2θ0范围内的声束叫做主声束。文档资料分享文档资料分享◼圆晶片：θ0≈70λ/Ds◼正方晶片：θ0≈57λ/a◼长方晶片：θ0≈57λ/aθ0≈57λ/b文档资料分享文档资料分享圆形晶片的-3dB扩散角：θ-3dB≌29λ/De-3dB扩散角：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负3dB扩散角：θ-3dB≌25λ/aa--晶片边长21.横波发射声场文档资料分享Fcoss近场区长文档资料分享度：N=cos文档资料分享s2Fcostg在第二介质中近场区长度：N==N—Ls—L21costgs22半扩散角：上=2−文档资料分享1.22L1a=−sin1=−D文档资料分享下1Ssin1=−ab1.22cLS12b=cossin=+abDc2SL1θ上＞θ下文档资料分享文档资料分享22.圆片形辐射体（活塞振子）轴线上的声压分布D2P=2Psin+X2−X04P--在距离x处的声压；P0--初始声压；λ--波长；文档资料分享D--圆形振动晶片直径；x--距离文档资料分享当x≥1.6N时，公式可简化为：22DPDPF00SPP2sin=（此即球面波声压公式）FS--晶片面积084XXX23.不同反射体的回波声压文档资料分享PFF0Sf（1）平底孔P=；文档资料分享22X文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享 超声检测基本理论公式PF0S（2）大平底P=；B2X文档资料分享7PF0S（3）实心圆柱体P=；B2XPF0S（4）凹曲面圆弧（空心轴内探）P=K；B12XPFDDiP=K0S其中：K0文档资料分享凸曲面圆弧（空心轴外探）1=；K2=B22XDiD文档资料分享0PFΦ0S(5)长横孔：P=；X8XPFlΦ(6)短横孔：P=0Sf（定义：长度小于波束直径且轴线与波束轴线垂直）文档资料分享文档资料分享X2XPFΦ0S(7)球孔：P=X4X24.AVG曲线（DGS曲线）文档资料分享是描述规则反射体的距离、回波高及当量之间关系的曲线。◼AVG文档资料分享德文：距离、增益、大小文档资料分享DGS英文：距离、增益、大小◼通用AVG曲线：归一化处理A=x/N；G=Df/DS适用于不同规格探头◼实用AVG曲线：实际声程文档资料分享——规则反射体相对波高文档资料分享只适用于特定探头◼实际探伤中常用AVG面板曲线或距离——波幅曲线属于实用AVG曲线的特例。◼标准化距离：A=x/N0（x-距离；N0--近场长度）标准化缺陷（当量）：文档资料分享G=Φ/D0（Φ--平底孔直径；D0--圆形晶片直径）文档资料分享25.计算中常用公式2PX2Bf(1)平底孔与大平底比较：=20lg=20lg(dB)2PXB文档资料分享PB2X同声程：=20lg=20lg2(dB)P文档资料分享PX112(2)平底孔与平底孔比较不同反射体的回波声压比：=20lg=40lg（dB）PX221（3）大平底对大平底：Δ=20lg（x2/x1）（dB）文档资料分享用于验证被检工件材质衰减状况文档资料分享（4）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26.曲面补偿文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享 超声检测基本理论公式（1）大平底对凸圆柱底面：Δ=10lg（R/r）（dB）文档资料分享8R--圆柱外径；r--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，见示意图文档资料分享文档资料分享（2）大平底对凹圆柱底面：Δ=10lg（r/R）（dB）R--圆柱外径；r--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，显然这是负值文档资料分享-文档资料分享凹底面的反射汇聚需要反补偿，见示意图文档资料分享文档资料分享文档资料分享27.纵波圆形晶片的有效直径De4NCD=0.97De0fefe--回波频率；D0--文档资料分享晶片名义直径；N--近场长度；c--材料中声速。文档资料分享在超声换能器中，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28.横波探伤中的几何图形关系文档资料分享2K1S=y1+KX=Sy=S22文档资料分享1+K1+KK=tgββ--折射角文档资料分享文档资料分享直射法：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文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享 文档资料分享超声检测基本理论公式9文档资料分享文档资料分享29.串列检测盲区文档资料分享文档资料分享①直射法和一次反射法相结合形式的检测盲区：上检测盲区因前探头前沿和焊缝余高引起。al+02H=文档资料分享上tg文档资料分享l−−前探头的前沿；a−−焊缝余高宽度；−−探头折射角0文档资料分享下检测盲区因前探头后脚和后探头前沿引起。ll+012H下=tg文档资料分享ll−−后探头的前沿长度；−−前探头的后脚长度文档资料分享01②较薄工件，无余高时可采用一次或多次反射形式+K1，不存在检测盲区；余高时可采用一次或多次反射形式+较大K值，减少余高的影响，存在检测盲区，盲区大小与K值以及余高宽度有关。文档资料分享文档资料分享30.横波探伤中的晶片有效直径与近场文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享cosAe横波探伤中的晶片有效直径De为：D=D=2e0cos文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享 超声检测基本理论公式式中：D0--晶片名义直径；Ae--晶片有效面积，Ae=（cosβ/cosα）A（文档资料分享A--晶片实际面积）10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--第二介质横波速度；cL1--第一介质纵波速度文档资料分享文档资料分享31.K值计算文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享32.迟到波文档资料分享1dCL1d59000文档资料分享x=−dtgS=0−dtg33=0.76d2cosSCS2cos33323033.28.三角反射L→L→L:x1.3d1文档资料分享L→S→L:x1.67d文档资料分享134.侧壁干涉◼探头轴线上缺陷反射避免侧壁干涉的条件：文档资料分享d＞2a(mm)文档资料分享min◼底面反射避免侧壁干涉的条件：d＞2a(mm)min35.棒材探伤中的应用公式文档资料分享文档资料分享（1）棒材周面径向纵波接触法探测22适合采用：Δ=20lg（πXBΦ/2λXf）（dB），以底波方式调整探伤起始灵敏度检测棒材的情况，2其条件应满足：棒材直径φ≥3.7N；单直平探头的晶片直径D文档资料分享应为：D/2≤φ；文档资料分享文档资料分享文档资料分享 超声检测基本理论公式（2）棒材周面弦向横波法探伤：有接触法与水浸法两种文档资料分享11接触法：文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享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，然文档资料分享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文档资料分享中心并垂直于斜面），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文档资料分享廓，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。文档资料分享b=a·tgα；α=arcsin[（cL/cS）·sinβ]文档资料分享水浸法：文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享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：文档资料分享h=R[1-(cS/c水)·sinα]=R[1-(cS/cL)]文档资料分享式中：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文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享 超声检测基本理论公式故：偏心距x=R·sinα=R·[(c水/cS)·sinβ]文档资料分享12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)36.管材的周面弦向横波探伤文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享1.满足t/D文档资料分享≤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为文档资料分享管材壁厚（1）接触法：见上左图。探头斜楔的磨制与棒材要求相同-1-1入射角应满足：sin（cL1/cL2）＜α＜sin（cL1r/cs2R）式中：cL1为斜楔的纵波速度最大探测壁厚文档资料分享文档资料分享R−T2Tsin=m=1−m文档资料分享RD文档资料分享T11Km()1−sin=1−D221+K2式中Tm--可探测的最大壁厚；文档资料分享D--工件外径；文档资料分享K--探头的K值，K=tgβ。（2）水浸法：见上右图。使用点聚焦或线聚焦探头文档资料分享CCL水L水偏心距要求：Rxr在水--钢界面情况下，偏心距为0.253R≤x≤0.461rCC文档资料分享L钢S钢x=R(c水/cs)sinβ文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享 超声检测基本理论公式其中:sinα=[1-(2t/D)](cL1/cs2)=2x/D=x/R；sinβ=[1-(2t/D)]=（cs2/文档资料分享cL1）sinα13221/2最佳水层厚度：H=F-（R-x）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；文档资料分享K--系数，文档资料分享与报警、记录等辅助装置有关，通常取2以上（包括2在内）小结：注意参数选择CCL1L1偏心距：RxrCCL2S2文档资料分享0.251R+0.458r文档资料分享偏心距均值：x=2水层深度：H＞xS(利用正弦定理求xS)22焦距：F=H+R−x，焦点调至中心轴线。文档资料分享C−C12有机玻璃/水声透镜：r=F，即r=0.46F或F=2.2r文档资料分享C1文档资料分享2.满足t/D＞0.5[1-(cs2/cL2)]的管材(厚壁管)：采用纵-横-纵波法,见下图所示文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享37.缺陷大小的测定2PB2xf平底/实心圆柱：=20lg=20lg+2(x−x)正比+反减Bf2fBPDxf文档资料分享fB2文档资料分享PB2xfd空心圆柱：=20lg=20lg10lg+2(x−x)Bf2fBPDxDffB6dB测长：平面：Lf＝LL外圆周探测：Ff=(R−xf)文档资料分享R文档资料分享L内圆周探测：F=(r+x)ffr38.板材探伤文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享 超声检测基本理论公式(1)中厚板的单直探头水浸法探伤:文档资料分享14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文档资料分享文档资料分享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文档资料分享文档资料分享（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。文档资料分享兰姆波模式的选择文档资料分享：[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、传播文档资料分享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文档资料分享生变化（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（横波文档资料分享可分离成单个、各自独立的来自板端棱角的回波）。波速鉴别法：如下图所示文档资料分享文档资料分享将探头如图左放置，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文档资料分享在原来位置。文档资料分享[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--文档资料分享在板材中可激励模式的相速度文档资料分享注：有的相速度曲线图上已在纵坐标上直接标明入射角度。文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享 文档资料分享超声检测基本理论公式15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，还应进一步测量文档资料分享文档资料分享群速度（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）文档资料分享文档资料分享[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模文档资料分享2iεxUs=-(BωR文档资料分享s/V){[(1+Rs)/(2RL+Rs)][sh(πfdRs/V)/sh(πfdRL/V)]ch(ωRL/V)y-ch(ωRs/V)y}E2iεx文档资料分享Vs=(Bωi/V){[(1+Rs)/2RLRs][sh(πfdRs/V)/sh(πfdRL/V)]sh(ωRL/V)y-sh(ωRs/V)y}E非对称型：A模2iεxUa=-(DωRs/V){[(1+Rs)/2RLRs][ch(πfdRs/V)/ch(πfdRL/V)]sh(ωRL/V)y-sh(ωRs/V)y}E2iεxVa=(Dωi/V){[(1+Rs文档资料分享)/2][ch(πfdRs/V)/ch(πfdRL/V)]ch(ωRL/V)y-ch(ωRs/V)y}E21/2式中：V--相速度；d--板厚；f--频率；ω--圆频率，2πf；Rs=[1-（V/Vs）]；RL=[1-（V/VL）文档资料分享21/2]39.超声探头及其制作工艺压电晶片厚度:t=λ/2文档资料分享文档资料分享频率常数:Nt=ft(Hz·mm)曲率:平凹声透镜,第二介质为水,第一介质为有机玻璃时,曲率半径R=0.45F；第一介质为环氧树脂时，曲率半径R=0.464F文档资料分享文档资料分享焦距:F=R/[1-(c2/c1)]焦点直径:d0=1.2λf/a=2.4λf/D0(a--晶片半径)；d-6dB=0.71λf/a=1.42λf/D02422焦柱长度:L-6dB=2a/(a-λF)(见下图)文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享 文档资料分享超声检测基本理论公式16文档资料分享22文档资料分享大直径晶片长聚焦:d-6dB≌λF/D0；L-6dB≌λF/a；L-6dB/d-6dB=2F/a工件中的焦点深度（二次聚焦深度）：δ≌（F-H）（c1/c2）；或者H=F-(c2/c1)δ式中：δ--工件中焦点到声束入射面深度；F--水中焦距；H--水程；c1--水中声速；c2--工件中声速（见下图）文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享4.组合双晶探头的焦距：-1f=(L-2dtgα)/2tg[sin文档资料分享(c2sinα/c1)]文档资料分享式中：c1--延迟块纵波速度；c2--工件中纵波速度；d--晶片中心到延迟块底面的距离（延迟块厚度）；L--两晶片中心距离；α--晶片倾斜角（入射角）组合双晶探头有效探测范围一般指焦点上下文档资料分享6dB区域，见下图文档资料分享文档资料分享文档资料分享40.超声系统性能测试方法探头回波频率的测定文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享 文档资料分享超声检测基本理论公式17文档资料分享文档资料分享1.标准方法:测量系统的连接如左图上探伤仪置"单探头"工作状态(用于单直探头和单斜探头)或"双探头"工作状态(用于组合双晶探头).在示波器上观察试块底面回波的扩展波形(左图中):在此波形中以峰点值P为基准,读取前一周期和後两周期共计三个周期的时间T3,则回波频率:文档资料分享文档资料分享fe=3/T3根据已计算出的fe和探头标称频率f0可以计算回波频率误差:Δf=[(fe-f0)/f0]x100%注:必要时也可以只读取峰点前后各一周期共计两个周期的时间T2,则:文档资料分享文档资料分享fe=2/T2文档资料分享2.简易方法:直接用带有射频显示(不检波显示)的超声探伤仪(水平线性误差越小越好)和已知声速的薄板型试块(5-10mm),可简易测定直探头的回波频率文档资料分享:文档资料分享首先将被测探头与探伤仪连接,以检波显示(视频显示)在试块上定标(尽量取大比例),得到水平刻度代表的距离后换算成传递时间(注意这是双声程),然后将显示转成射频显示.观察试块底波波形,按左图中的方法读取三个周期(或两个周期)所占刻度值,换算成时间得到T3(或T2),再按fe=3/T3或fe=2/T文档资料分享2得出回波频率.文档资料分享本方法的实质是直接将探伤仪当作示波器使用,其测量准确性的影响因素有:试块已知声速的准确性,定标的精确程度及探伤仪水平线性的好坏,读数准确性--在读数时灵敏度(增益)不宜太高,以免波形杂乱而干扰辨认读取的准确性,波形显示聚焦状态也影响读数的准确性.3.直探头回波频率的简单估算文档资料分享文档资料分享基本原理:依据公式22Δ=20lg(πXBφ/2λXf)(dB)和f=c/λ文档资料分享采用相同材料,相同冶金状态和表面状态,声程大于三倍近场长度的两块试块,一为平底试块(厚度文档资料分享XB),另一为标准平底孔试块(Xf=XB),如左图下.试块的声速为已知.方法:测出平底孔回波高度与平底面回波高度相差分贝(dB)值,代入前式求得波长,再代入后式求文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享 超声检测基本理论公式得回波频率.文档资料分享18影响测量准确性的因素:平底孔的加工精度,Xf与XB的尺寸精度,已知声速的准确性,接触耦合差异(最好采用水浸法),分贝值精确度文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享(二)超声波速度的测定文档资料分享文档资料分享文档资料分享1.标准介质比较法文档资料分享方法:利用公式V未知=V水(L/L0),在探伤以上置"单探头"工作状态(但是双发双收),调整水距使两个文档资料分享反射脉冲重合,即可按上式计算未知声速.注意:水中纵波声速随水温变化,水温为t℃时,水中声速修正值:2文档资料分享文档资料分享V水=1557-0.0245(74-t)米/秒2.脉冲回波比较法首先用已知声速(V0)和厚度(d0)的平面试块对探伤仪示波屏的水平刻度进行定标(最好1:1定标),然后测量未知声速的平面试件,读出显示厚度文档资料分享d2,用游标卡尺或千分尺量出其实际厚度d1,则未知文档资料分享声速V未知=V0(d1/d2)影响因素:探伤仪水平线性误差,刻度板上的读数精度,回波脉冲前沿陡峭程度,波形聚焦效果3.横波速度的测定文档资料分享文档资料分享当已知纵波速度VL时,采用迟到波法测量迟到波的迟到时间Δ文档资料分享t,再根据下式求得横波速度VS:文档资料分享文档资料分享文档资料分享 超声检测基本理论公式221/2Δt=D(VL-VS)/VLVS文档资料分享19式中:D--已知纵波速度VL的圆柱形试块的直径.在探伤仪上应先按时间对水平刻度定标(以微秒作单位)(三)超声探伤仪垂直线性的测定文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享探伤仪的"抑制"与"深度补偿"关闭,衰减器上应至少留有30dB的衰减余量.调节"增益",使直探头在试块上找到的最大平底孔回波高度为100%满刻度.固定探头位置与接触压力,调节衰减器,依次将每衰减2dB时平底孔回波幅度的百分数记入下表,并与理论波高值比较,取最大正偏差Δ+与负偏差最大值｜Δ-｜之和为垂直线性误差:文档资料分享文档资料分享文档资料分享Δ=[｜Δ+｜+｜Δ-｜](%)(四)超声探伤仪水平线性的测定文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享测试时调节探伤仪的"增益","衰减器","水平"(或"零位","延迟"),"深度"(粗调与细调)旋钮.1.五次底波法文档资料分享使第一次底波B1前沿对准水平刻度的"20",第五次底波B5前沿对准水平刻度文档资料分享"100",在相同回波幅度(如50%满刻度)下读取B2,B3,B4前沿各自偏离"40","60","80"刻度的偏差值并填入下表,最大偏差Δmax按下式计算水平线性误差:Δ=[｜Δmax｜/0.8L]x100%(L为水平刻度线全长)文档资料分享文档资料分享2.六次底波法使第一次底波B1前沿对准水平刻度的"0",第六次底波B6前沿对准水平刻度"100",在相同回波幅度(如50%满刻度)下读取B2,B3,B4,B5前沿各自偏离文档资料分享"20",文档资料分享文档资料分享文档资料分享 超声检测基本理论公式"40","60","80"刻度的偏差值并填入下表,最大偏差Δmax按下式计算水平线性误差文档资料分享:20Δ=[｜Δmax｜/L]x100%(L为水平刻度线全长)五次底波法记录表底波次数B1B2B3B4文档资料分享B5水平刻度标定值20406080100文档资料分享实际读数mmmm20100偏差mm00六次底波法记录表底波次数B1B2B3B4B5B6文档资料分享文档资料分享水平刻度标定值020406080100实际读数mmmm0100偏差mm003.10次底波法文档资料分享B1前沿对正水平刻度的0，B11前沿对正水平刻度的10，读取B2~B10对应水平刻度1~9的最大偏差，然后：Δ=[文档资料分享｜Δmax｜/0.90]x100%应当说明的是：10次底波法和11次底波法常因伴有较多的干扰波出现，影响准确读数，故较少文档资料分享采用。图示出了各种测量水平线性的方法示意图，在实际应用中一般采用六次底波法已能满足测试要求。应当注意：测试水平线性时，为了保证所有探测范围的水平线性都能校验，最好能按仪器的探测文档资料分享范围多取几种厚度的试块分别测试，最后取最大水平线性误差来反映仪器性能。例如对深度粗调文档资料分享分档为100、300和1000mm的探测范围，则可以分别用厚度15~20、25~30、100mm厚的试块进行测试。文档资料分享(五)超声探伤仪电噪声的测定文档资料分享在探伤仪空载(不接探头)的情况下,将探伤仪灵敏度开至最大,包括"增益"最大,"发射强度"最大,"衰减器"为零,"抑制"关闭,"深度粗调"最大,"重复频率"最低...等,且仪器周围应无高频或强文档资料分享磁场干扰,读取水平扫描线上电噪声平均幅度在垂直刻度上的百分数文档资料分享(波高)作为电噪声电平.(六)超声探伤仪动态范围的测定测定方法的布置如垂直线性测定中的示图,调节最大平底孔回波为文档资料分享100%满刻度,调节衰减器读取平底孔回波从100%满刻度下降到1%(或1mm)时,所需要的衰减量dB值即为探伤仪在该探头给定工文档资料分享作频率下的动态范围.一般动态范围的测试可与垂直线性的测定同时进行.(七)超声探伤仪衰减器精度的测定文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享 超声检测基本理论公式测定方法的布置如垂直线性测定中的示图,首先使衰减器置"零"dB,调节文档资料分享"增益"使最大平底孔回波21为100%满刻度,调节衰减器以1dB(或2dB)增量增加到21(或22)dB,把每次衰减后的回波高度记入下表A栏.再使衰减器置"10"dB,重新调节"增益",使最大平底孔回波仍为100%满刻度,同样调节衰减器以1dB(或2dB)增量增加到31(或32)dB,把每次衰减后的回波高度记入下表B栏.衰减量dB理论波高值(%满刻实测HA值(%满刻度)实测HB值(%满刻度)HA对文档资料分享HB波高相差dB值文档资料分享0(10)100度)10010001(11)89.12(12)79.43(13)70.8文档资料分享文档资料分享4(14)63.15(15)56.26(16)50.17(17)44.7文档资料分享8(18)39.89(19)文档资料分享35.5文档资料分享10(20)31.611(21)28.212(22)25.113(23)文档资料分享22.4文档资料分享14(24)20.015(25)17.816(26)15.817(27)14.1文档资料分享18(28)12.6文档资料分享19(29)11.220(30)10.021(31)8.922(32)7.9文档资料分享文档资料分享A对B波高相差dB值按下式计算:Δ=20lg(HA/HB)(dB)衰减器精度表示方法:1.以1dB表示将0-21(10-31)dB各次测定误差dB绝对值之和除以文档资料分享22,得出平均每dB误差(±)值文档资料分享2.以2dB表示将0-22(10-32)dB各双数dB衰减测定的误差dB绝对值之和除以12,得出平均每2dB误差(±)值文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享 超声检测基本理论公式3.以12dB表示文档资料分享22将12(22)dB测定的误差值作为每12dB误差(±)值文档资料分享(八)超声探伤仪与直探头的综合性能测定文档资料分享1.探伤灵敏度余量S如垂直线性测定中的示图配置,试块为φ2-200mm钢试块,仪器上"增益"和"发射强度"置最大,"抑制"和"深度补偿"关闭,"重复频率"最低,调整衰减器使水平扫描线上的电噪声在10%满刻度以下文档资料分享文档资料分享(≤10%),以此时的衰减器读数为S0(如电噪声始终不大于10%时,衰减器可为零),再调节衰减器使最大平底孔回波降到50%满刻度时,其读数为S1,则探伤灵敏度余量在该探头和仪器组合情况下为:S=S1-S0(dB)2.相对灵敏度Sr文档资料分享把与探伤仪连文档资料分享接的直探头耦合在IIW1试块的厚度100mm平面上,按探伤灵敏度余量S的方法测定文档资料分享将第一次最大底波B1降到50%满刻度所需衰减量SB(dB),换接同频率石英晶片固定试块,用同样方法测出第一次最大底波下降到50%满刻度所需衰减量S石英(dB),则被测探头相对灵敏度为:Sr=SB-S石英(dB)文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享3.分辨力如图左所示,适当调整仪器"增益"和"衰减器"(至少预储存30dB)及探头位置,使试块上声程85和91mm的两个回波高度同为40%(或30%)满刻度,以此为基准波高,调节衰减器至两个回波间的波谷文档资料分享升到波峰原来的基准高度(及测量波峰与波谷的波高差文档资料分享),所需dB值即为X分辨力文档资料分享文档资料分享4.始波占宽将直探头耦合在IIW1试块的厚度100mm平面上,调整仪器按1:2文档资料分享定标,然后按垂直线性测定中的示文档资料分享文档资料分享文档资料分享 超声检测基本理论公式图配置在φ2-200mm钢制平底孔试块上,调节探伤灵敏度,使最大平底孔回波为文档资料分享50%满刻度,然后提23高灵敏度12dB,读取从水平刻度零点至始波后沿与垂直刻度20%线交点对应的水平距离W1(mm),即为该直探头在此条件下的负载始波占宽,如左图所示.测出负载始波占宽后,拿起探头置空气中,擦净探头表面耦合剂,此时从水平刻度零点至始波后沿文档资料分享与垂直刻度20%线交点对应的水平距离W0(mm),即为该直探头在此条件下的空载始波占宽文档资料分享(九)超声探伤仪与斜探头的综合性能测定1.相对灵敏度连接被测斜探头置于IIW1试块上宽度25mm的长侧面,使声束方向朝向R100曲面,前后移动和左右文档资料分享文档资料分享摆动探头,找到该曲面的最大回波,此时探伤仪"增益"和"发射强度"置最大,"抑制"和"深度补偿"关闭,"重复频率"最低,仅调整衰减器使该回波下降到50%满刻度,此时衰减器读数为S0,换上频率与被测探头相同的石英晶片固定试块,以同样条件调节衰减器使石英晶片固定试块上的第一次最大底波下降到50%满刻度,此时衰减器读数为S1,则该被测斜探头与该仪器组合条件下的相对灵敏文档资料分享文档资料分享度为:Sr=S文档资料分享0-S1文档资料分享文档资料分享2.分辨力将被测斜探头如左图所示放置在CSK-IA试块上.通过调整"增益"和"衰减器"(应至少预先储存30dB),并适当移动探头,使φ50文档资料分享和φ44mm两个有机玻璃圆柱面回波高度同为40%(或30%)满刻度作文档资料分享为基准,然后衰减器数值至两回波间的波谷上升到波峰原来的基准高度,即测出波峰对波谷相差dB值,表示该斜探头对声程差3mm的两个反射体的分辨力,同样也可以对φ44和φ40mm两个有机玻璃圆柱测出对声程差2mm的两个反射体的分辨力文档资料分享(参见上面直探头X分辨力测定)文档资料分享3.始波占宽将探伤仪"发射强度"置中档,"衰减器"上预先储存40dB,被测斜探头置CSK-IA试块上宽25mm的长侧面上,使声束朝向R50和R100曲面,利用这两个曲面回波做出声程1:1定标,然后调节"增益"使R100曲面最大回波下降到50%满刻度(必要时再加大衰减器值文档资料分享),再将衰减器释放40dB(即增益提高文档资料分享40dB),然后将探头提起置空气中,擦净探头表面的耦合剂,读取从水平刻度线零点至始波后沿与垂直刻度20%线交点对应的水平距离W0mm即为该斜探头在此条件下的空载始波占宽(参见上面直探头的示波占宽测定)文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享 文档资料分享超声检测基本理论公式24文档资料分享文档资料分享4.声轴线偏斜将被测斜探头置IIW1或CSK-IA等试块上厚25mm的平面上,使声束指向棱边,对于K值≤1的探头,声束经底面反射指向上棱角,K值＞1的探头,声数指向下棱角,前后移动和左右摆动探头,使所测棱角回波幅度最高,然后用量角器测量斜探头侧面与试块端面法线的夹角θ,即为声轴线偏斜角文档资料分享,文档资料分享读数应精确到0.5°,或者在斜探头侧面以入射点为端点(由探头前沿长度确定),用钢板尺测量该点到棱边的垂直距离H和沿探头侧面延伸到棱边的距离S,则声轴线偏斜角θ=arccos(H/S)文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享文档资料分享