声波在不同的介质面的时候会衰减,所以,声波到达检测点的过程中会发生衰减,并且由于介质界面的不一致,还会发生反射,在不同的介质中传播速度也不同。上一篇文章中我们介绍了声波的传播速度特性,接下来我们介绍下声波的衰减和反射。
(2)传播过程中的衰减
超声波在传播过程中,随着传播距离的增大声波的能量会逐渐减小,这样的现象我们称之为衰减。在空气中衰减速率随着频率的1-2次方增加;固体介质中声波能力衰减速率和频率f成正比;液体中衰减速率正比于频率的2次方,具体如下表所示:材料 | 测量频率 | 温度 | 衰减(dB/m) |
空气 | 50Hz | 20-28 | 0.98 |
SF6 | 40Hz | 20-28 | 26.0 |
铝 | 10Hz | 25 | 9.0 |
钢/铁 | 10Hz | 25 | 21.5 |
从表中可以发现,对不同的材料,声波的衰减速度也是差别很大的,以40 kHz的声波为例,和在空气中出现的衰减速度相比,声波在SF6气体当中发生的衰减速度至少是前者的20倍,而声波衰减最快的就是在橡胶和海绵等软性的材料中。由此可见在对局部放电进行检测时,为了能够在较远距离对声波进行检测,超声波传感器必须具有足够高的前置放大设备增益。
(3)传播中的反射情况
在介质中进行传播时,超声波不仅会出现一定程度的衰减,而且具有极强的方向性,所以在传播的过程中,超声波会在不同介质的交界处发生反射,这种反射现象的发生会进一步较少声波传播过程中声波的能量。通常超声波在空气中的反射临界角为26度,当超声波的入射角超过了该值时,超声波会就产生全反射,从而导致传感器无法接收到任何信号。因此在现场局部放电检测过程中,需要将传感器安装在合适的位置,保证声波的入射角度小于其反射临界角以避免检测不到超声波信号。对不同的介质而言,其具有的声阻抗是不尽相同的,而声波在不同介质之间的传递也会出现不同程度的衰减,对某一固定介质而言,其声阻抗等于声波在此其中传播的速度v乘以其密度ρ,即ρv,声波在两个介质的交界处会产生衰减,其反射时的系数如下:
R=ρ1v1-ρ2v2/ρ1v1+ρ2v2
式中,ρ1v1、ρ2v2分别表示的是两种材料不同,但互相接触的介质所具有的声阻抗,从上式能够看出,声波在发生反射时导致的衰减程度正比于两种接触的介质具有的声阻抗差的大小。