聲波的傳輸特性分析

在絕緣結構內部，局部放電發出的聲波，經常要經過多種介質才能傳單接收聲波的換能器上來。例如變壓器內固體介質中的氣隙發生局部放電時所發出的聲波要通過固體介質、液體介質和金屬外殼才能到達置于外殼表面上的換能器。傳播過程中，聲波會發生折射、反射和衰減。上一篇博文我們簡單介紹了聲波的折射和反射，今天我們來探討下聲波的衰減。

1.2 衰減

超聲波在傳播過程中，除了在介質分界面上會造成損失外，在介質內部也會發生衰減。這種衰減可能是由于波的擴散、分子撞擊、粘度和熱導等因素造成的。對于氣體和液體介質，波的擴散是主要的。而固體介質主要的衰減原因是由于聲波在傳播過程中把能量轉變成為熱量。

通常在氣體和液體中聲波的傳播是以球面波的形式從聲源一點出發向四面散播。離開聲源愈遠，聲強度和聲壓就愈低。理論上，聲壓水平是與聲源的距離d成反比的。但實際上局部放電產生的超聲波源很少是集中在一點，各種放電情況的不同使得超聲波的聲壓水平不一定是反比于d的。例如在礦物油中，由于局部放電產生的超聲波，在頻率為150kHz-2MHz范圍內，超聲波隨著距離的衰減是正比于d1/4一d2之間。

聲波在氣體介質中被吸收是由于分子碰撞中能量的交換所形成。這種吸收不但與氣體的本質有關，而且與溫度、濕度以及氣體中的雜質都有關。如在六氟化硫（SF6）中聲波（頻率為40KHz）的被吸收，要比空氣中大20多倍。又如在寒冷的北極空氣中，由于分子碰撞所造成的聲波吸收是很微小的。而在酷熱的沙漠空氣中，對10kHz的聲波衰減可達0.48dB/m。如果在空氣中含有霧、煙、灰塵時，衰減會顯著增加。不同頻率的超聲波產生的衰減也是不同的，通常在空氣中當溫度和濕度一定時，聲波的衰減與頻率f甚至于f2成正比。在液體材料中聲波的衰減往往正比于f2；而在固體材料中衰減大約正比于f。

超聲波在介質中傳播產生的衰減，在頻率較低和介質厚度不大時經常與厚度成正比。但隨著頻率的增加，隨著厚度的增加，聲波衰減的增加比較慢。