超聲波是一種頻率在20kHz以上可以在固體、液體、氣體等介質(zhì)中傳播的疏密變化的機械波。在電力設(shè)備，高壓設(shè)備內(nèi)部的局部放電往往更加容易引起嚴(yán)重后果，而用于接收超聲信號的超聲波傳感器只能在高壓設(shè)備的外部進行檢測。超聲波從放電源傳播到被檢測點由于不同的傳播介質(zhì)、反射等聲的特性會使超聲傳感器在接收之前就發(fā)生一定的衰減。
在固體中，例如變壓器、開關(guān)柜的鐵板，超聲波以橫波和縱波的方式進行傳播。超聲波在氣體和液體中無法形成橫波。例如在GIS中，產(chǎn)生的超聲波信號以縱波的形式通過SF6氣體傳播到達金屬外殼后，超聲波將會以橫波和縱波一起在金屬殼中繼續(xù)傳播。
1. 傳播速度
用來表征超聲波在介質(zhì)中傳播快慢的物理量稱為傳播速度。由于不同介質(zhì)其特性不同，從而引起超聲波傳播速度在不同的介質(zhì)中也不相同。我們必須明確在不同材料中超聲波的傳播速度才能使超聲波傳感器定位時更加準(zhǔn)確。傳播速度也受不同介質(zhì)中的溫度和超聲波頻率的影響，如下圖所示，給出了超聲波在變壓器油中傳播速度與溫度的關(guān)系，傳播速度和頻率的關(guān)系。
傳播速度和溫度與頻率的關(guān)系
2. 傳播過程中的衰減
超聲波在介質(zhì)中傳播的距離遠近與其傳播的能量成正比，傳播越遠損失越大，剩余的能量就越小，這種現(xiàn)象稱為衰減。超聲波在液體和氣體中形成超聲衰減的原因有：擴散傳播、反射、折射等因素。固體介質(zhì)中，由于超聲波在介質(zhì)中傳播的衰減特性使得超聲波傳播的距離越遠，傳感器接收到的信號越弱。下圖表給出了超聲波在空氣、SF6氣體、鋁、鋼鐵介質(zhì)中的衰減情況。縱波在不同介質(zhì)、溫度、頻率下的衰減表
| 材料 | 測量頻率 | 溫度/℃ | 衰減/(dB/m) |
| 空氣 | 50Hz | 20-28 | 0.98 |
| SF6 | 40Hz | 20-28 | 26.0 |
| 鋁 | 10MHz | 25 | 9.0 |
| 鋼/鐵 | 10MHz | 25 | 21.5 |
從表中可以看出，不同材料、不同的超聲波頻率、不同的溫度都是造成超聲波衰減的原因。
3. 傳播中的反射情況
由于超聲波在介質(zhì)中傳播時不可避免會碰到雜質(zhì)或分界面，會形成反射回波。此時超聲波在穿過介質(zhì)繼續(xù)傳播的聲能就會減小。空氣與鐵之間接觸面的全反射的臨界角為26°，當(dāng)超聲波接收探頭與被測鐵板表面的臨界角大于這個角度時，傳感器將接收不到信號。
兩種不同的介質(zhì)的聲特性阻抗不匹配將會引起超聲波從不同的介質(zhì)穿透其分界面時會形成嚴(yán)重的反射形成衰減。聲特性阻抗用ρv來表示。其反射系數(shù)R的表達式如下。
R=ρ1v1-ρ2v2/ρ1v1+ρ2v2
關(guān)注微信公眾號