lg20

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

B

Φ2/2λX

f

2）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

f

2）dBd为当量球孔直径，用途同上。

（3）长横孔对大平底：Δ=10lg（ψX

B

2/2X

f

3）dBψ为当量长横孔直径，用途同上。

（4）短横孔对大平底：Δ=10lg（L2ψX

B

2/λX

f

4）dBψ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（Φ

1

X

2

/Φ

2

X

1

）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X

2

和一定直径的平底

孔Φ

2

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X

1

计算出缺陷的平底孔当量大小Φ

1

，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（d

1

X

2

2/d

2

X

1

2）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（ψ

1

X

2

3/ψ

2

X

1

3）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（ψ

1

X

2

4/ψ

2

X

1

4）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（X

2

/X

1

）dB一般用于验证被检工件材质衰减

状况。

回波幅度比：Δ=20lg（H

2

/H

1

）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）dBR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）dBR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

=097.0

4

D

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θ

0

≈70λ/D

e

方形晶片的声束指向性：零扩散角θ

0

≈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

2

2

1

1

1

1

1

1

1

sinsinsinsinsinsin1

S

S

L

L

S

S

S

S

L

L

L

L

CCCC









1L--纵波入射角1L--横波入射角1S--纵波反射角1S--横波反射角2L--纵波折射角

2S--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

α

R

=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α

R

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

≈0.55C

L

C

R

≈0.92C

S

铝：C

S

≈0.49C

L

C

R

≈0.93C

S

二、绘制AVG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

=20plgB/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：VΦ=20lg（p

f

/p

0

）=20lg（π2G2/A2）(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

21KYS

21K

K

SX





21

1

K

SY





K=tgββ-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

2

cosβ

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





e

e

A

DD2

cos

cos

0



式中D

0

-晶片的名义直径；A

e

—晶片有效面积；A

e

=（cosβ/cosα）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

2

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f

B

X

X

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ψ≥3.7N；单晶直探头的晶片直径应为：D2/2≤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=sinθ=sinα

所以：偏心距X=R·sinα=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

S2

、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

L1

r/C

S2

R)

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

≤0.461rX=R（C水/C

S

）sinβ

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：22XRFH

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。