在无限大的固体中,压力波和剪力波是共存的,而且两种波的传播速度并不相同,剪力波速大约为压力波速的60%。它们的频率可认为是相互独立的频率,在气体中只有压力波存在,声速在一个大气压SF6气体中的传播速度为156m/s。
在复杂的结构中,如GIS中,声波形式变得更复杂。大量的附加波掺杂在其中。这些复杂的声波可分解为压力波和剪力波,而且依靠结构的几何形状、边界条件、材料等。一般情况下,每种形式都有其自己的相速度和波群速度,相速度和群速度都由频率决定。
对于声波特性来说,当GIS密封的管壁厚度和平板厚度相同时,GIS管壁与平板具有的相同的特性。在管壁内存在零次和一次两种基本波,如图1所示。零次波一般为弯曲波和半纵向波。相速度和波群速度随频率变化的关系见图2所示。如图中所示,速度取决于平板厚度和频率的乘积,如果乘积小于2mmMHz,则只产生了零次波。
图1 平板内的波形
λ=Cph/f
其中f为频率。声信号沿壁的传播速度由波群速度决定,波群速度亦可称信息传播速度。当研究平板中的局部放电时,搞清声波在SF6气体和壳体之间界面的传播情况是非常重要的。在气体中,平板中激发的平面波受一定的约束:平行于平板的成份,其波长λ必等于实际频率的波长,即为:
λ平极= λ/sinφ
相应的,入射角度φ取决于频率和气体中信号相速度。对于最重要的平面波而言,最低频率成份以最倾斜角度入射到管壁,而高频成份则以稍小的角度φ入射。如果声信号的频率不满足上面所示的关系式,则不会入射到管壁。
此外,两种媒介的声阻抗是非常不同的,能够穿过两种媒介的很少。目前来说,提高气体压力可以提高穿透率。
图2 相速度和波群速度与频率的关系