超声波探伤的物理基础-(第八节超声波的衰减)

第一章超声波探伤的物理基础第八节超声波的衰减超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其声能量逐渐减弱的现象叫做超声波的衰减。在均匀介质中，超声波的衰减与传播距离之间有一定的比例关系，而不均匀介质散射引来的衰减情况就比较复杂。一、产生衰减的原因凡影响介质质点振动的因素均能引起衰减。从理论上讲，产生衰减的原因主要有以下三个方面：1.由声束扩散引起的衰减超声波传播时，随着传播距离的增大，非平面波声束不断扩散，声束截面增大，因此，单位面积上的声能(或声压)大为下降，这种扩散衰减与传播波形和传播距离有关，而与传播介质无关。对于球面波，声强与传播距离的平方成反比，即，声压与传播距离成反比，即。对于柱面波，声强与传播距离成反比，声压与传播距离的平方根成反比，即。对于平面波，声强，声压不随传播距离的变化而变化，不存在扩散衰减。当波形确定后，扩散衰减只与超声波传播距离(声程)有关。扩散衰减是造成不同声程上相同形状和尺寸反射体回波高度不等的原因之一，这在声压方程中已经解决。2.由散射引起的衰减超声波传播过程中遇到不同声阻抗的介质所组成的界面时，会产生散乱反射，声能分散，造成散射衰减。固体中尤以多晶体金属的非均匀性(如杂质、粗晶、内应力、第二相等)引起的散射衰减最为明显。多晶体晶界会引起超声波的反射和折射，甚至伴有波型转换，这种散射也可称作瑞利散射。散射衰减随超声波频率的增高而增大，且横波引起的衰减大于纵波。3.由吸收引起的衰减质点离开自己的平衡位置产生振动时，必须克服介质质点间的粘滞力(和内摩擦力)而做功，从而造成声能损耗，这部分损耗的声能也将转换成热能。在超声波传播过程中，这种由于介质的粘滞吸收而将声能转换成热能，从而使声能减少的现象称为粘滞吸收衰减。在超声波探伤中它并不占主要地位。二、衰减规律和衰减系数超声波在不同介质中的衰减情况常用衰减系数加以定量表示。超声波传播过程中的衰减规律与其波形有关。平面波传播时不存在扩散衰减，它的衰减只是散射衰减与吸收衰减之和。平面波在介质中传播X距离后的声压衰减规律可用下式表示：P=P0e－X(1–64)式中：P为距声X声距离处的声压；X为距声源泉的距离；P0为声源的辐射声压；为衰减系数；e为自然对数底。超声波探伤中探头辐射的一般是活塞波，但在足够远处声压将随传播距离增加而减弱，若距声源X处声压为P，则活塞波在介质中传播X距离后声压幅值变化规律可用下式表示：(1–65)衰减系数为散射衰减与吸收衰减之和，即(1–66)衰减系数的单位可以是dB/mm或Nb/mm(Nb也叫奈培)。定义的单位为Nb，它与分贝(dB)之间换算关系如下：1Nb=8.686或dB=0.115Nb和都与探测频率有关：(d≤)(1–67)(d)(1–68)(1–69)式中：f为超声波频率；C1为材料吸收系数；C2、C3为散射系数；F为材料各向异性因素；d为晶粒直径。三、工程上衰减系数的测定方法材料衰减的测定方法有相对比较法和绝对法两种，相对比较的方法用于测定材料衰减的严重程度，但不能测出它的衰减系数量值，这种方法在工业探伤中较为常用。例如，对一批材料，可以用相同探测条件进行测定，通过相对比较来剔除衰减或组织不均匀的工件，从而保证产品质量。绝对法能测出材料的衰减系数量值，但所用试样厚度(T)应大于二倍近场长，即T＞2N。常用测量方法有以下二种：1.多块试样测定法用与被测材料相同材质和相同处理状态的不同厚度平板试样多块(探测面需经磨光)，在相同探测灵敏度下逐一测定各试样底面回波的波高dB数(即在相同回波高度下读取它们的分贝值)，得到图1–62中用“”表示的各点。为消除探头辐射的活塞波声束扩散衰减的影响，所以必须以同样的探测灵敏度测定与上述试样同厚度但无衰减(=0)的多块标准试样的底面回波波高dB数，得到图中用“0”表示的各点，它们与CD水平线之间dB差(dB)，即为不同声程上的扩散衰减。最后在每一实际试样底面波高dB数上扣除对应的dB，得到该被测材料完全由于材质衰减引起的衰减测定线AB(图1–62中用“#”表示的各点连线)AB的斜率就表示了待测材料衰减系数的大小，即：(1–70)图1–62利用多块试块测定衰减系数显然，此是超声波在材料中往复(双)声程的衰减系数。2.多次脉冲反射法(1)对于试样厚度范围为2N＜T≤200mm的被测试件，可用比较多次脉冲反射回波高度的方法测定其衰减系数并用下式计算：(1–71)式中：表示试样第m次与第n次底面回波高度的dB差；为材料中单声程的衰减系数。例如，试样厚度T=200mm，测得第五次底面波与第二次底面回波高度dB差为=14dB则试样的衰减系数为：(2)对于厚度T＞200mm的试样，可用第一次与第二次底面回波高dB差来计算，则式1–71可改写成：(1–72)为材料中单声程的衰减系数。脉冲反射法探伤中的声程包括来回传播距离，所以