第二节超声波局部放电检测技术基本原理
一、超声波的基本知识
超声波是指振动频率大于20kHz的声波。因其频率超出了人耳听觉的一般上限，人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声波与声波一样，是物体机械振动状态的传播形式。按声源在介质中振动的方向与波在介质中传播的方向之间的关系，可以将超声波分为纵波和横波两种形式。纵波又称疏密波，其质点运动方向与波的传播方向一致，能存在于固体、液体和气体介质中；横波，又称剪切波，其质点运动方向与波的传播方向垂直，仅能存在于固体介质中。
1 声波的运动
声音以机械波的形式在介质中传播，换句话说，也就是对介质的局部干扰的传播。对于液体而言，局部干扰造成介质的压缩和膨胀，压力的局部变化会造成介质密度的局部变化和分子的位移，此过程被称为粒子位移。
在物理学中，对于声波的运动有着更为正式的描述：
1?2p?p?22c?t
2 （4-1）
这里c指声速。此描述声波运动的通用微分方程是由描述连续性、动量守恒和介质弹性的三个基本方程联立而得。
2 声波的阻抗和强度
声在气体中的传播速度是由状态方程决定的；对于液体，速度是由该液体的弹性决定的；对于固体，则是由胡克定律决定的。图4-1显示了作用在一小滴液体上的力。合成作用力使该颗粒以速度v移动。对于平面波，声的压强和颗粒的速度的比例被称为声阻抗：
??pZ??v
（4-2）
dxp?A?0(p??pdx)A?x
图4-1 作用于柱形声学颗粒（声线）上的力
声阻抗和电阻抗类似，并且当压强和速度异相的时候也可以是复数。但是，对于平面波，声阻抗是标量（Z=p0c）并被称为介质特征阻抗。
声波强度（单位时间内通过介质的声波能量，单位为W/m2）是一个非常重要的物理量。声波强度可以用峰值压强P、峰值速度V的多种表达式表示，其中包括：
I?vp?
P2?0c?V?0c2
（4-3）
在实际应用中，声波强度也常用分贝（dB）来度量。
3声波的反射、折射与衍射 当声波穿透物体时，其强度会随着与声源距离的增加而衰减。导致这个现象的因素包括声波的几何空间传播过程、声波的吸收（声波机械能转为内能的过程）以及波阵面的散射。这些现象都导致了声波的强度随着与声源间距离的不断增大而不断减小。
在无损的介质中，球面波强度与球面波阵面的面积成反比，圆柱波强度与相对于声源的距离成反比，这样的衰减被称为空间衰减。因为此类衰减仅与波形传播的空间几何参数有关。图4-2中描述的就是平面波、圆柱波及球型波在传播过程的几何空间衰减情况。
a)b)c)a)平面波b)圆柱波c)球型波 图4-2 不同波阵面类型对应的不同衰减情况 当声波从一种媒介传播到另一种具有不同密度或弹性的媒介时，就会发生反射和折射现象，从而导致能量的衰减，如图4-3所示。在平面波垂直入射的情况下，描述衰减的传播系数由下式给出：
?transmission?
It4Z1Z2?Ii(Z1?Z2)2
（4-4）
显然，当两种媒介声阻抗相差很大时，只有小部分垂直入射波可以穿过界面，其余全部被反射回原来的媒介中。在油和钢铁的分界面上，压力波的传播系数是0.01，而在空气和钢铁的分界面上，传播系数为0.0016。
入射线i玻璃r折射线法线反射线i’
图4-3 声的折射与反射
当波以一定角度倾斜入射时，就会产生折射现象。Snell定律很好地定量地描述了折射现象。
??sin?t?ct???i?sin????ci???
（4-5）
如果ci>ct并且入射波角度大于arcsin(ci/ct)，就会发生全反射。
与其它所有的波一样，声波在遇到拐角或障碍物时也会发生衍射现象。当波长与障碍物尺寸相差不大或远大于障碍物尺寸时，衍射效果非常明显；但是当波长远小于障碍物尺寸时，则几乎不会发生衍射现象。
4声波在气体中的吸收衰减
大部分气体对声波的吸收作用非常小，但是对于在某些条件下的某些气体，比如六氟化硫和二氧化碳，吸收作用对于能量的衰减意义重大。吸收作用与频率的平方成正比，并与静压力成反比。在空气中，吸收作用主要由空气的湿度来决定。
计算吸收作用的通用公式（不考虑松弛损耗）由等式（4-6）给出，式中?是粘滞系数，
c是相速度，?0是平衡密度，?是两种介质在常压（Cp）、确定体积（Cv）下的摩尔比热的比值，M是每摩尔的体积，?是导热系数。
?pressure?16?f?2?0c322??????1?4?fM??22???Af3??0cCv?2 （4-6）
二、超声波局部放电检测基本原理
电力设备内部产生局部放电信号的时候，会产生冲击的振动及声音。超声波法（AE，Acoustic Emission，又称声发射法）通过在设备腔体外壁上安装超声波传感器来测量局部放电信号。该方法的特点是传感器与电力设备的电气回路无任何联系，不受电气方面的干扰，但在现场使用时易受周围环境噪声或设备机械振动的影响。由于超声信号在电力设备常用绝缘材料中的衰减较大，超声波检测法的灵敏度和范围有限，但具有定位准确度高的优点。
局部放电区域很小，局部放电源通常可看成点声源。超声波局部放电检测的原理示意图如图4-4。
声学方法测量系统 局部放电声场（声波）压电传感器
图4-4超声波检测局部放电基本原理
声波在气体和液体中传播的是纵波，纵波主要是靠振动方向平行于波传播方向上的分子撞击传递压力。而声波在固体中传播的，除了纵波之外还有横波。发生横波时，质点的振动方向垂直于波的传播方向，这需要质点间有足够的引力，质点振动才能带动邻近的质点跟着振动，所以只有在固体或浓度很大的液体中才会出现横波。当纵波通过气体或液体传播到达金属外壳时，将会出现横波，在金属体中继续传播，如图4-5所示。
图4-5声波的传播路径
不同类型、不同频率的声波，在不同的温度下，通过不同媒质时的速率不同。纵波要比横波快约1倍，频率越高传播速度越快，在矿物油中声波传播速度随温度的升高而下降。在气体中声波传播速率相对较慢，在固体中声波传播要快得多。表4-1列出了纵波在20℃时几种媒质中的传播速度。
表4-120℃时纵波在不同媒质中的传播速度（m/s）
媒质 空气 SF6 速度 330 140 媒质 油纸 速度 1420 媒质 铝 钢 速度 6400 6000 聚四氟乙烯 1350
矿物油 瓷料 1400 聚乙烯 环氧树脂 2000 2320 铜 铸铁 4700 3500~5600 5600~6200 聚苯乙烯 天然橡胶 1546 2400~2900 不锈钢 5660~7390 声波的强弱，可以用声压幅值和声波强度等参数来表示。声压是单位面积上所受的压力，声强是单位时间内通过与波的传播方向垂直的单位面积上的能量。声强与声压的平方成正比，与声阻抗成反比。
声波在媒质中传播会产生衰减，造成衰减的原因有很多，如波的扩散、反射和热传导等。在气体和液体中，波的扩散是衰减的主要原因；在固体中，分子的撞击把声能转变为热能散失是衰减的主要原因。理论上，若媒介本身是均匀无损耗的，则声压与声源的距离成反比，声强与声源的距离的平方成反比。声波在复合媒质中传播时，在不同媒质的界面上，会产生反射，使穿透过的声波变弱。当声波从一种媒质传播到声特性阻抗不匹配的另一种媒质时，会有很大的界面衰减。两种媒质的声特性阻抗相差越大，造成的衰减就越大。声波在传播中的衰减，还与声波的频率有关，频率越高衰减越大。在空气中声波的衰减约正比于频率的2
22f?ff次方和1次方的差（即）；在液体中声波的衰减约正比于频率的2次方（）；而在
固体中声波的衰减约正比于频率（f）。表4-2给出了纵波在不同材料中传播时的衰减情况。
表4-2纵波在几种材料中传播时的衰减 材料 空气 SF6 铝 钢 频率 50kHz 40kHz 10MHz 10MHz 温度（℃） 衰减（dB/m） 20~28 0.98 20~28 25 25 25 25 25 26.0 9.0 21.5 250.0 100.0 1000.0 有机玻璃 2.5MHz 聚苯乙烯 2.5MHz 氯丁橡胶 2.5MHz 声波的传播速率与声波的衰减特性在超声波局部放电定位应用中起到了重要的理论支持。通过提取超声波信号到达不同传感器的时间差（TDOA，Time Difference of Arrival），利用其传播速率即可实现对放电源的二维或三维定位，通过对比两路或多路超声波检测信号的强度大小，即可实现对放电源的幅值定位。
三、超声波局部放电检测装置组成及原理
典型的超声波局部放电检测装置一般可分为硬件系统和软件系统两大部分。硬件系统用于检测超声波信号，软件系统对所测得的数据进行分析和特征提取并做出诊断。硬件系统通常包括超声波传感器、信号处理与数据采集系统，如图4-6所示；软件系统包括人机交互界面与数据分析处理模块等。此外，根据现场检测需要，还可配备信号传导杆、耳机等配件，其中信号传导杆主要用于开展电缆终端等设备局部放电检测时，为保障检测人员安全，将超