超声波的衰减
超声波在介质中传播时，随着距离的增加，超声波能量逐渐减弱的现象。
衰减原因
波束扩散、晶粒散射和介质吸收。
扩散衰减
- 超声波在传播的过程中，由于波束扩散，使超声波的能量随着距离的增加而逐渐的减弱。
- 扩散衰减的原因为波阵面的形状。
- 平面波波阵为平面，不存在扩散。
- 柱面波波阵为同轴圆柱面，存在扩散衰减，声压与距离的平方根成反比。
- 球面波波阵为同心球面，存在扩散衰减，声压与距离成反比。
散射衰减
- 超声波在介质中传播时，遇到声阻抗不同的界面而出现散乱反射引起衰减。
- 散射衰减与材质的晶粒密切相关，当晶粒粗大时，散射衰减严重
吸收衰减
- 超声波在介质中传播时，由于介质中质点间内摩擦（黏滞性）和热传导引起的衰减。
衰减方程与衰减系数
衰减方程
平面波
$$ P_x = P_0 e^{-\alpha x} $$- $ P_0 $，波源的起始声压
- $ P_x $，距波源 $ x $ 处的声压
- $ x $，距波源的距离
- $ \alpha $，介质衰减系数，单位（NP/mm）
- $ e = 2.718\cdots $，自然对数的底
柱面波
$$ P_x = \frac{P_1}{x} e^{-\alpha x} $$- $ P_1 $，距波源的距离为单位 1 处的声压
球面波
$$ P_x = \frac{P_1}{\sqrt{x}} e^{-\alpha x} $$- $ P_1 $，距波源的距离为单位 1 处的声压
衰减系数
衰减系数 $ \alpha $ 只考虑介质的散射和吸收衰减。
对于金属等固体材料：
介质衰减系数 $ \alpha $ 等于散射衰减系数 $ \alpha_s $ 和吸收衰减系数 $ \alpha_a $ 之和。
$$ \alpha = \alpha_s + \alpha_a $$吸收衰减系数满足：
$$ \alpha_a = c_1 f $$散射衰减系数满足：
$$ \alpha_s = \begin{cases} c_2Fd^3f_4 \quad d < \lambda \\ c_3Fdf^2 \quad d \approx \lambda \\ c_4\frac{F}{d} \quad d > \lambda \end{cases} $$- $ f $，超声波的频率
- $ d $，介质的晶粒直径
- $ \lambda $，波长
- $ F $，各向异性系数
- $ c1,c2,c3,c4 $，常数
结论：
- 介质的吸收衰减与频率成正比
- 当介质的晶粒较大时，若采用较高的频率，会引起严重衰减
对于液体介质：
- 主要是吸收衰减。
- $ \eta $，介质的黏滞系数
- $ \rho $，介质的密度
- $ c $，波速
结论：
- 介质的吸收衰减与介质的黏滞系数和频率的平方成正比，与介质的密度和波速成反比。
- 介质的吸收衰减与温度的升高成反比
衰减系数的测定
薄板工件衰减系数的测定
薄板工件的条件：
- 厚度较小，小于 200 mm
- 上下底面互相平行
- 表面光洁
实施方法：
- 用直探头放在薄板表面，使声波在上下表面来回发射。
计算方法：
$$ \alpha = \frac{20 \lg(\frac{B_m}{B_n}) - \delta}{2(n-m)x} (\text{dB/mm}) $$- $ m,n $，底波的反射次数
- $ B_m,B_n $，第 $ m,n $ 次底波的高度
- $ \delta $，反射损失，每次大约 $ 0.5 \sim 1.0 $ dB
- $ x $，厚度
厚板或粗圆柱体衰减系数的测定
工件条件：
- 厚度大于 200 mm
计算方法：
$$ \alpha = \frac{20\lg{\frac{B_1}{B_2}} - 6 - \delta}{2x} $$- $ B_1,B_2 $，第1，2次底波的高度
- $ 6 $，扩散衰减引起的分贝差
- $ \delta $，反射损失，每次大约 $ 0.5 \sim 1.0 $ dB
-
- $ x $，厚度