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2

X 1

I α

，声压与传播距离成反比，即X

1P α

。 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X

1P α。

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=P 0e

－αX

(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；P 0为声源的辐射声压；α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：

X

220e X X 4D sin P 2P α-⋅⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝

⎛-+λπ= (1–65)

衰减系数α为散射衰减S α与吸收衰减a α之和，即

a S α+α=α (1–66)

衰减系数α的单位可以是dB/mm 或Nb/mm(Nb 也叫奈培)。定义2

121P P

ln I I ln 21=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 S α和a α都与探测频率有关：

432S f Fd C =α (d ≤λ) (1–67) 23S Fdf C =α (d ≈λ) (1–68) f C 1a =α (1–69)

式中：f 为超声波频率；C 1为材料吸收系数；C 2、C 3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(α=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：

)

mm (L )

dB (V =

α (1–70)

图1–62 利用多块试块测定衰减系数

显然，此α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α并用下式计算：

)mm /dB (T

)m n (2lg

20)dB (V m

n n m --=

α- (1–71)

式中：)dB (V n m -表示试样第m 次与第n 次底面回波高度的dB 差；α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)dB (V n m -=14dB 则试样的衰减系数为：

mm /dB 005.0200

)25(2lg

20dB 142

5≈⨯--=

α

(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：

)mm /dB (T

2dB

6)dB (B /B T )12(2lg 20)dB (B /B 211

2

21-=--=

α (1–72)

α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，实际工件中某一声程(X)的材质衰减量为：衰减dB 数=X 2⋅α⋅。

例如，厚度为T=400mm 的钢试件，在相同探测条件下，测得底面一次回波在100%时底面二次回波在20%，则试件的衰减系数为：

mm /dB 01.02

400dB

6lg 20T 2dB 6)dB (B /B 20

100

21=⨯-=-=

α (1–72)

工件全声程的衰减量为：

dB 540001.02T 2=⨯⨯=⨯α⨯