Затухание ультразвука

Почему уменьшается эхо-сигнал

Амплитуда ультразвукового сигнала обычно падает с увеличением звукового пути. Однако наблюдаемое падение нельзя целиком приписать затуханию материала. Помимо поглощения и рассеяния влияют расхождение пучка, отражения на границах, акустический контакт, ориентация отражателя, настройки приёмника и температура. Чтобы измерить коэффициент затухания, необходимо определить, какие из этих факторов компенсированы, а какие остаются в результате.

Поглощение переводит энергию упорядоченных колебаний в другие формы, прежде всего тепло. Рассеяние перераспределяет энергию на зернах, включениях и других неоднородностях. Часть рассеянной энергии может попадать в приёмник как структурный шум. Расхождение пучка уменьшает локальную амплитуду из-за распределения энергии по большей площади; это отдельный геометрический эффект, даже если потерь в веществе нет.

Амплитуда, мощность и децибелы

Для условной однородной среды и фиксированной частоты удобно записать A(s) = A0 exp(−αs), где α — коэффициент амплитудного затухания в Нп/мм, s — пройденный путь в мм. При выражении положительных потерь в децибелах используют L = 20 log10(A0/A). Для отношения мощности или интенсивности применяется L = 10 log10(P0/P). Подменять один коэффициент другим нельзя.

Если мощность пропорциональна квадрату амплитуды и сравнение выполнено при одинаковом импедансе, обе записи дают одинаковые потери. При этом αдБ = 20 log10(e) αНп ≈ 8,686 αНп. Нужно явно указать, что коэффициент относится к амплитуде, а также единицу длины и частоту. Значение в дБ/мм не равно значению в дБ/см.

Условный расчёт двойного пути

Пусть коэффициент при выбранной частоте принят равным 0,020 дБ/мм, а отражатель расположен на глубине 50 мм при прямом вводе. Односторонний путь равен 50 мм, но эхо проходит до отражателя и обратно: s = 100 мм. Потери только в материале составляют 2,000 дБ. Амплитуда относительно случая без этих потерь равна 10^(−2/20) = 0,7943, мощность — 10^(−2/10) = 0,6310. Здесь не учтены коэффициент отражения и расхождение пучка.

Таблицу можно прокручивать по горизонтали →

При наклонном вводе глубина не равна одностороннему звуковому пути. В простой геометрии sодн = h/cos θ, где θ — угол луча к нормали в металле. Поэтому использовать удвоенную вертикальную глубину вместо удвоенного наклонного пути означает занижать расчётные потери. Для сложных отражений каждый участок пути учитывают отдельно.

Как оценивать затухание экспериментально

Сравнивают сигналы при известной разности акустических путей, одинаковых настройках и контролируемом контакте. После поправок на отражение и геометрию оценка имеет вид αдБ = 20 log10(A1/A2)/(s2 − s1). Например, отношение амплитуд 2 на дополнительном пути 100 мм даёт 6,0206/100 = 0,06021 дБ/мм. Это коэффициент материала лишь при подтверждённом исключении остальных причин уменьшения сигнала.

1. Зафиксировать материал, структуру, температуру, частоту и тип волны.
2. Выбрать сравнимые отражатели или последовательные донные эхо-сигналы.
3. Проверить линейность приёмника и отсутствие насыщения.
4. Учесть дополнительные отражения между последовательными эхо и изменение поля пучка.
5. Повторить измерения в нескольких точках и оценить разброс.

Измерение по нескольким донным эхо удобно, но каждое следующее эхо содержит дополнительные потери на отражениях. Без этих поправок получается эффективное ослабление всей схемы. Временная регулировка усиления или кривая коррекции чувствительности помогает оценивать отражатели на разных расстояниях, однако сама по себе не измеряет чистое затухание и не устраняет структурный шум. Зависимость потерь от частоты нельзя переносить между разными материалами одним универсальным множителем.

Источники

• Evident: Wave Front Dynamics — открытая публикация о затухании и рассеянии.
• Evident: An Introduction to Ultrasonic Flaw Detection — открытое описание факторов передачи звука.
• ISO 16810:2024 — опубликованная редакция 2. Проверены карточка и аннотация; полный платный текст не изучался.