3.吸收衰减
超声波在分质中传播时，由于介质中质点间内摩擦(即粘滞性)和热传导引起超声波的衰减，称为吸收衰减或粘滞衰减。 除了以上三种衰减外，还有位错引起的衰减，磁畴壁引起的衰减和残余应力引起的衰减等。 通常所说的介质衰减是指吸收衰减与散射衰减，不包括扩散衰减。 二、衰减方程与衰减系数 1.衰减方程
平面波不存在扩散衰减，只存在介质衰减，其声压衰减方程为
(1.58)
式中 Po——波源的起始声压；
Pχ——至波源距离为χ处的声压； χ——至波源的距离；
a——介质衰减系数，单位为NP/mm； e——自然对数的底(e=2.718??)。
球面波与柱面波既存在扩散衰减，又存在介质衰减，它们的声压衰减方程分别为 球面波：
(1.59)
柱面波： (1.60)
式中 P1——至波源的距离为单位1处的声压。 2.衰减系数
衰减系数a只考虑了介质的散射和吸收衰减，未涉及扩散衰减。对于金属材料等固体介质而言，介质衰减系数a等于散射衰减系数as和吸收衰减系数α (1.61)
α
之和。
(1.62) 式中 f——声波频率； d——介质的晶粒直径； λ——波长； F——各向异性系数； c1、c2、c3、c4——常数。 由以上公式可知：
(1)介质的吸收衰减与频率成正比。
(2)介质的散射衰减与f、d、F有关，当d<λ时，散射衰减系数与f、d成正比。在实际探伤中，当介质晶粒较粗大时，若采用较高的频率，将会引起严重衰减，示波屏出现大量草状波，使信嗓比明显下降，超声波穿透能力显著降低。这就是晶粒较大的奥氏体钢和一些铸件探伤的困难所在。 对于液体介质而言，主要是介质的吸收衰减。
4
3
式中 η——介质的粘滞系数； p——介质的密度； c——波速。
(1.63)
由上式可知，液体介质的衰减系数a与介质的粘滞系数和频率平方成正比，与介质中的密度和波速立方成反比。
由于η、p、c与温度有关，所以a也与温度有关。一般是a随温度的升高而降低。这是因为温度升高，分子热运动加剧，有利于超声波的传播。
以上讨论说明，介质的衰减与介质的性质密切相关，因此在实际工作中有时根据底波的次数来衡量材料衰减情况，从而判定材料晶粒度大小，缺陷密集程度、石墨含量以及水中泥沙含量等。 三、衰减系数的测定 1.薄板工件衰减系数的测定
对于厚度较小，上下底面互相平行，表面光洁的薄板工件或试块。可用直探头波在薄板表面，使声波在上下表面往复反射，在示波屏上出现多次底波。由于介质衰减和反射损失，使底波高度依次减少，如图1.52。其介质衰减系数按下式计算
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(1.64)
式中 m、n—底波的反射次数；
Bm、Bn——第m、n次底波高度；
δ——反射损失，每次反射损失约为(0.9～1.0)dB χ——薄板的厚度
(1.64)式没有考虑扩散衰减，因此现场应用时应根据薄板厚度来确定波的次数，使声波的传播距离在波束未扩散区内。 2.厚板或粗圆柱体衰减系数的测定
对于厚度大于200mm的板材或轴类零件，可根据第一、二次底波B1、B2高度来测试衰减系数，如图1.53所示。图中B1、B2高度差由扩散衰减、介质衰减、反射损失引起。这时介质衰减系数a按下式计算：
式中 B1、B2——第一、二次底波高度； 6—— 散衰减引起的分贝差； δ——反射损失； χ——工件厚度。
(1.65)
例如某工件厚度χ=500mm，测得B1=80%，B2=20%，反射损失δ=0.5dB，则工件的衰减系数为
复 习 题
1.什么是机械振动和机械波?二者有何关系? 2.什么是振动周期和振动频率?二者有何关系?
*3.什么是谐振动动、阻尼振动和受迫振动?三者有何不同?超声波探头中的压电晶片在发射或接收超声波时产生何种振动? 4.写出谐振动方程，并说明式中各参数的物理意义?
5.什么是弹性介质?简述超声波在弹性介质中的传播过程。 6.什么是波动频率、波速和波长?三者有何关系?
7.什么是超声波?产生超声波的条件是什么?在超声波探伤中应用了超声波的哪些主要性质? 8.何谓纵波、横波、表面波和板波?在固体和液体介质中各可以传播何种类型的波?为什么? 9.什么是波线、波阵面和波前?它们有何关系?
10.什么是平面波、柱面波和球面波?各有何特点?实际应用的超声波探头发出的波属于什么波? 11.超声波在介质中的传播速度与哪些因素有关?钢中纵波、横波和表面波的波速有何关系? *12.板波的相速度与群速度有何不同?它们与哪些因素有关?
*13.测量声速的方法育哪几种?各有何优缺点?简要说明每种方法的原理。
14.什么是波的迭加原理?什么是坡的干涉现象?两列波相遇时，在什么情况下互相加强?在什么情况下互相减弱? *15.什么是驻波?试说明驻波在超声波探伤中的应用。 16.什么是波的绕射(衍射)?波的绕射对超声波探伤影响如何? 17.什么是超声场?描述超声场的物理量有哪些? 18.什么是声压?声压的常用单位是什么?
19.什么是声强?声强的常用单位是什么?声强与哪些因素有关? 20.什么是声阻抗?声阻抗的常用单位是什么?声阻抗与哪些因素有关?
21.什么是分贝和奈培?二者有何关系?平常说某人讲话的声音为50dB是相对于什么而言的?
22.什么是声压反射率和透射率?超声波垂直入射到Z1/Z2界面时，其声压反射率和透射率与哪些因素有关?在什么情况下声压反 射率最高? 23.超声波垂直入射到Z1
25.超声波垂直入射到均匀介质中的异质薄层(如水中钢板钢中裂纹)时，在什么情况下声压反射率最高(或最低)? 26.超声波垂直入射到薄层两侧介质不同的界面(如晶片Z1/保护膜Z2/工件Z3)时，在什么情况下声压往复透射率最高? 27.何谓波型转换?产生波型转换的条件是什么?
28.说明超声波反射、折射定律和式中各参数的物理意义。
29.什么是第一、第二临界角?产生第一、二临界角的条件是什么?并说明常用横波和表面波探头的制作原理。 30.什么是第三临界角?第三临界角与哪些因素有关?
31.超声波倾斜入射到界面的声压反射率和透射率(折射率)与哪些因素有关?
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32.什么是端角反射?端角反射有何特点?超声波检测单面焊根部未焊透等缺陷时，探头的K值(K=tgβs)应在什么范围内?
33.平面波入射到曲面上时，其反射波和折射波在什么情况下聚焦?在什么情况下发散?试说明常用水浸聚焦探头中声透镜的设计原理。 *34.试说明公式孔的回波声压公式。
35.什么是超声波的衰减?引起超声波衰减的主要原因是什么?平常所说的介质衰减是指什么衰减? 36.超声波介质衰减系数与哪些因素有关?试分析说明超声波检测奥氏体不锈钢的困难所在。 37.试说明测定较厚工件(χ≥3N)材质衰减系数的方法。
38.画图说明纵波、横波垂直入射到固/液、固/固界面上时的反射波和透射波。
39.画图说明纵波倾斜入射到固/固、固/液、液/固、液/液界面上时的反射波和折射波。 40.画图说明横波倾斜入射到固/固、固/液界面上时的反射波和折射波。 41.画出第一、第二、第三临界角对应的入射波、反射波和折射波。
42.某碳钢的声阻抗比不锈钢高1%，求超声波垂直入射到该碳钢/不锈钢界面时的声压反射率和透射率。(一0.005，1.005)。
43.已知有机玻璃中纵波波速CL=2730m/s，钢中纵波波速CL=5900m/s，横波波速CS=3230m/s。 ①求纵波倾斜入射到有机玻璃/钢界面时的a1和a1。(27.6°，57.7°)
②试指出探测钢材用有机玻璃横波和表面波探头入射角αL的范围。(S：a1=27.6°～57.7°，R：αL≥57.7°)。
44.已知钢中Cs=3230m/s，某硬质合金中Cs=4000m/s，铝中Cs=3080m/s求探测钢的K1.0横波探头探测该硬质合金和铝时的实际K值为多少?(1.8，0.9) 45.已知钢中CL=5900m/s,cs=3230m/s,水中CL=1480m/s,超声波倾斜入射到水/钢界面。 ①求αL=10°时对应的βL和βs(43.8°,22.3°) ②求βs=45°时对应的αL和βL(18.9°,不存在) ③求al和a1(14.5°，27.3°)。
46.已知钢中CL=5900m/s,cs=3230m/s,有机玻璃中CL=2730m/s,求以有机玻璃为斜楔的K1横波探头的入射角αL?(36.7°) 47.已知超声波探伤仪示波屏上有A、B、C三个波，其中A波高为满刻度的80%，B波为50%，C波为20%。 ①设A波为基准(0dB)，那么B、C波高各为多少dB?(-4dB，-12dB) ①设B波为基准(10dB)，那么A、C波高各为多少dB?(14dB，2dB) ①设C波为基准(一8dB)，那么A、B波高各为多少dB?(4dB，0dB)
48.示波屏上有一波高为满刻度的100%，但不饱和。问衰减多少dB后，该波正好为10%?(20dB) 49.示波屏上有一波高为80mm，另一波高比它低16dB，问另一波高为多少mm?(12.7mm)
50.示波屏上有一波高为40%，若衰减12dB以后该波高为多少?若增益6dB以后波高又为多少?(10%，80%)
51.用2.5MHz、θ20mm的探头测定500mm厚的饼形锻件的衰减系数，现测得完好区域的B1=80%，B2=35%，求此锻件的介质衰减系数a为多少?(不计反射损失)(1.18310dB/mm)
52.用5MHz、θ20mm探头测定厚为15mm的钢板的介质衰减系数。已知B1=80%，B4=50%，每次反射损失为1dB，不计扩散衰减损失，求此钢板的介质衰减系数a为多少?
-3
中各参数的物理意义及该公式的应用条件。并由此导出径向探伤实心圆柱体、空心圆柱体的回波声压公式以及长横
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