阶梯形试样测量材料的声衰减系数

刘小荣,　贺西平*,　崔　东,　贺升平,　尼　涛,　陈仁松

(1　陕西师范大学　物理学与信息技术学院，陕西省超声重点实验室，陕西　西安　710119；

2　陕西省宝鸡市150信箱11号，陕西　宝鸡　721013)



阶梯形试样测量材料的声衰减系数

刘小荣1,贺西平1*,崔东1,贺升平2,尼涛2,陈仁松2

(1陕西师范大学物理学与信息技术学院，陕西省超声重点实验室，陕西西安710119；

2陕西省宝鸡市150信箱11号，陕西宝鸡721013)

摘要：为了获得更精确的声衰减系数，考虑测试材料上下界面的声反射和声透射等影响因素，将传统测试试样改进为阶梯形试样，推导出了严格的声衰减系数表达式。将传统的一次测试回波改进为在阶梯型试样的薄端和厚端各测试一次回波，即可得出测试材料单纯的衰减前后的声压比，由此可得到更为精确的声衰减系数。结果显示：由于将声反射和声透射的衰减排除在外，本方法测量的声衰减系数相对于传统方法减小25%左右。

关键词:声衰减；阶梯形试样；脉冲反射法

由于散射和吸收等原因,在材料中传播的超声波能量会发生衰减，其衰减程度与材料内部结构特征密切相关[1]。超声衰减系数很大程度上受材料晶粒尺寸的影响。建立材料的超声衰减系数与材料平均晶粒尺寸的关系，可以表征材料晶粒尺寸大小[2-3]并且建立超声衰减系数与超声波频率的曲线关系(即衰减谱法)，可以直观地评价晶体材料的尺寸大小。例如，在3～12MHz频率区间，美国材料实验学会已经用这种方法完成了对材料2～8级的晶粒度测定[4-5]。另外，由于不同材料中超声衰减系数不同，故可利用材料的超声衰减系数来鉴别材料的种类[6]。已有研究通过测定超声衰减系数来测量悬浊液中颗粒粒度和浓度[7]及实现纸浆悬浮液质量浓度的在线检测[8]。在上述研究中声衰减系数的测量误差对金属材料质量的评定有很大的影响[9]。

材料中超声衰减系数的测定技术，已经被广泛地应用于很多领域。传统的材料声衰减系数测定是利用同一厚度的被测试样中的回波信息进行计算得到[10]。本文将被测材料制作成一端薄一端厚的试样，类似于“阶梯形”试样,分别测量试样薄端和厚端的底面回波来计算材料的声衰减系数，与传统方法相比，可以巧妙地消除超声波在金属材料界面的反射、透射等所带来声能损耗的影响，得到相对精确的声衰减系数。

1传统测试声衰减系数的方法

传统方法计算声衰减系数的试验试样模型如图1所示。E为收发一体式探头，试样厚度为d，由E发出的超声波在介质中多次衰减的底面回波波形如图2。

图1　传统方法测试声衰减系数的试样模型Fig.1　The　sample　model　of　measuring　the　acousticattenuation　coefficient　of　traditional　method

图2　多次衰减的底面回波波形Fig.2　The　bottom　surface　echo　waveform　of　sample

传统测量方法中，首先忽略耦合层中的声衰减。试验选择在材料近场非扩散区检测，声衰减将不考虑声束扩散的影响，其声压衰减规律可表示[11-12]为

p=p0e-αx。

(1)

其中，p0是起始声压，p表示超声波在介质中传播一段距离x后的声压,α是声衰减系数。超声波在试样中多次衰减的底面回波波形见图2，一次底面回波声压和二次底面回波声压分别为

p1=p0e-2αd,

p2=p0e-4αd。

(2)

上式中两式相比再取自然对数得

若将α用分贝值表示，则可表示为

“可不咋的！”健谈的何大爷接着话茬，“现在庄稼院正缺这样的人。大家按照她教给的法儿把地侍弄得，啧啧，你就瞅那长势吧！起先，还有人不信呐，现在怎么样？来向她讨教的不断流了。”

(3)

由于声压与声波峰值成正比，故传统法计算声衰减系数公式一般表示为

2阶梯法测试声衰减系数的方法

将图1中传统测试声衰减系数的试验形状改为图3中的阶梯形状。阶梯形试样厚端厚为d2，薄端厚为d1,E为收发一体式探头。

图3　测量声衰减系数的阶梯试样模型Fig.3　The　stepped　sample　model　of　measuringthe　acoustic　attenuation　coefficient

阶梯法计算声衰减系数的具体过程如下。假设E发出超声波的起始声压为p0，入射声波在试样厚端上界面会产生声透射和声反射。透射声波的声压为

pt1=p0t1。

式中t1为透射系数。由(1)式知，忽略薄耦合层中的声衰减。试验选择在材料近场非扩散区检测，声衰减将不考虑声束扩散的影响，透射声波经过厚度为d2的金属材料衰减后的声压为

pα1=pt1e-αd2=p0t1e-αd2。

式中α为材料的声衰减系数。衰减后的声压经过试样厚端下界面会产生声反射和声透射，反射回材料中声波的声压为

式中r2为声波在试样厚端下界面的反射系数。经过下界面的反射波在厚度为d2的金属材料中衰减后声波的声压为

pα2=pr2e-αd2=p0t1r2e-2αd2。

衰减后的声波传到试样厚端上界面也会产生反射和透射，透射声波的声压为pt3，

pt3=pα2t3=p0t1t3r2e-2αd2。

(4)

式中t3为声波在试样厚端下界面的透射系数。如图3所示，透射声波被探头E接收，第一次透射过上界面被探头接收的声波称为声波在材料中的一次底面回波，(4)式即为阶梯形试样厚端的一次底面回波声压，记为

p2=p0t1t3r2e-2αd2。

(5)

同理测试出阶梯形试样薄端的一次底面回波声压为

p1=p0t1t3r2e-2αd1。

(6)

用(5)式比(6)式得到

(7)

对(7)式取自然对数，得到声衰减系数计算公式

(8)

阶梯形试样的底面回波波形如图4所示，图4a为阶梯试样薄端的多次底面回波波形，设其一次底面回波峰值为H1。图4b为阶梯试样厚端的多次底面回波波形，设其一次底面回波峰值为H2。则阶梯法计算声衰减系数公式可表示为

图4　阶梯形试样的底面回波波形Fig.4　The　bottom　surface　echo　waveform　of　stepped　sample

(2)和(3)式中，传统测试计算方法未考虑材料界面的反射和透射声衰减，计算的声衰减系数偏大。(5)和(8)式中，阶梯测试计算方法考虑了材料界面反射和透射声衰减，因此，材料的声衰减系数计算更为精确。

3试验测试及结果分析

本文的试验装置如图5所示。Panametrics-NDT5077PR超声脉冲发射仪/接收仪的脉冲重复频率(PRF)为100Hz，探头频率(TransducerFrequency)为5MHz。采用Tektronix_DPO5034B示波器，该示波器采样速率为5GS/s，在短时间内可多次采样并求平均值，以得到稳定、准确的波形。用探头固定器固定探头，使每次采样保证在试样的同一位置。施加恒定的压力予探头，以保证每次的耦合条件一致。示波器采集的波形是5000次后求平均的结果。试样为1cr17ni2、2cr13、3cr13的三种不锈钢材料,每个试样表面粗糙度均为0.8μm。

图5　测试装置示意图Fig.5　Experimental　setup

分别用传统法和阶梯法对同一试样进行测试，多次测试(本文中为8次)并计算声衰减系数，具体实验数据见表1。

表1　两种方法测量的声衰减系数Tab.1　The　acoustic　attenuation　coefficient　of　two　methods　dB/cm

注：传统法测量时声衰减包含声反射及透射衰减，阶梯法测量时声衰减不包含声反射及透射衰减。

由上表可以看出，传统测试方法与阶梯方法计算的结果有些差别，传统测试方法中计算金属材料衰减的声能包含了声波在金属材料界面反射和透射衰减的声能，故计算的声衰减系数偏大。例如，对不锈钢1cr17ni2，传统传统方法计算的声衰减系数为1.1791dB/cm，阶梯法计算的声衰减系数为0.9309dB/cm，前者比后者大0.2482dB/cm。表中的三种不锈钢材料，传统法测试出的声衰减系数相对于阶梯法测出的值，分别增加约26.7%、25.8%和23.7%。阶梯法测试材料声衰减不包含材料界面声反射及透射等衰减，可比较精确地计算声衰减系数。

4结论

材料超声衰减系数的测定技术，已经被广泛应用于很多领域。本文分析了传统测试计算声衰减系数方法的误差，指出这种方法未考虑材料表面的声反射和声透射衰减，使计算的声衰减系数偏大。文中改用阶梯法测试计算声衰减系数后，不用考虑声波在材料表面的反射和透射等声能衰减对计算的影响，这种方法物理意义清晰，计算过程简单，得到的声衰减系数比较精确。这将对准确地评价材料晶粒尺寸大小、鉴别不同金属材料等领域有非常重要的意义。

参考文献：

[1]IsmaiH.Meangrainsizedeterminationinmarblesbyultrasonicfistback-wallechoheightmeasurements[J].IndependentNondestructiveTestingandEvaluationInternational,2006,39:82-86.

[2]贺西平,田彦平,张宏普.超声无损评价金属材料晶粒尺寸的研究[J].声学技术,2013,32(6):445-451.

[3]马世伟,袁康.SUS306不锈钢平均晶粒尺寸的超声无损检测及其评价[J].上海大学学报:自然科学版，2010,16(2):126-132.

[4]施克仁.无损检测新技术[M].北京:清华大学出版社,2007:115.

[5]YucelUmut,CouplandJohnN.Ultrasonicattenuationmeasurementsofthemixing,agglomeration,andsedimentationofsucrosecrystalssuspendedinoil[J].JournaloftheAmericanOilChemists′Society,2011,88(1):33-38.

[6]田彦平,贺西平,张宏普.基于声参量的金属材料辨识方法[J].陕西师范大学学报:自然科学版,2014,42(3):34-40.

[7]苏明旭,蔡小舒,徐峰.超声衰减法测量悬浊液中颗粒粒度和浓度[J].声学学报,2004,29(5):441-444.

[8]姚骏.纸浆悬浮液超声衰减理论及其在浓度流量检测中的应用研究[D].上海:上海大学机电工程与自动化学院,2006.

[9]汤和忠.钢锻件超声衰减系数测量误差对缺陷定量的影响[J].无损探伤,2009,33(3):43-45.

[10]尹昌,刘晓宙.钢材料中声速与声衰减系数的测量[J].声学技术,2007,26(5):974-975.

[11]超声波探伤编写组.超声波探伤[M].北京:电力工业出版公司,1985:43-46.

[12]美国无损检测学会.美国无损检测手册:超声卷[M].北京:世界图书出版公司,1996:561-571.

〔责任编辑李博〕

第一作者：李晓蒙，女，硕士研究生，研究方向为功率超声。E-mail:512077196@qq.com

Measurementofacousticattenuationcoefficientof

materialwiththesteppedsample

LIUXiaorong1,HEXiping1*,CUIDong1,HEShengping2,NITao2,CHENRensong2

(1SchoolofPhysicsandInformationTechnology,ShaanxiNormalUniversity,

ShaanxiKeyLaboratoryofUltrasonic,Xi′an710119,Shaanxi,China;

211Subbox,150Mailbox,Baoji721013,Shaanxi,China)

Abstract:Inordertomeasuretheacousticattenuationcoefficientmoreprecisely,theinfluenceofacousticreflectionandacoustictransmissionattheupperandlowerinterfacesofamaterialareconsidered.Theexpressionofacousticattenuationcoefficientisderivedstrictly.Thetraditionaltestsampleischangedintoasteppedone.Withtheimprovementofonetestedechointotwotestedechoesatthethinnerandthickerendsofthesteppedsample,thepressureratiobeforeandafterattenuationcanbeobtained.Thusthepreciseacousticattenuationcoefficientofthematerialisavailable.Sincetheacousticattenuationinducedbyreflectionandtransmissionisexcluded,theacousticattenuationcoefficientmeasuredbysuchmethedisreduced25%comparingwithtraditionalmethed.

Keywords:acousticattenuation;steppedsample;pulsereflectionmethod

通信作者：*王公正，男，副教授，博士。E-mail:gongzhw@snnu.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金资助项目(11274216,11474192)

收稿日期：2014-02-06

doi:10.15983/j.cnki.jsnu.2015.02.225

文章编号：1672-4291(2015)02-0042-06

中图分类号:O422.4

文献标志码:A