第9章超声波传感器及应用

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1、第9章超声波传感器及应用8/17/20211引言超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的，各行各业都使用的通用技术之一。它是通过超声波产生、传播以及接收这个物理过程来完成的。超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是对不透光的固体，超声波能穿透几十米的厚度。当超声波从一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在介质面上会产生反射、折射和波型转换等现象。超声波的这些特性使它在检测技术中获得了广泛的应用，如超声波无损探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜及超声成像等。8/1

2、7/20212主要章节9.1超声波及其物理性质9.2超声波探头及耦合技术9.3超声波传感器的应用8/17/202139.1超声波及其物理性质1．超声波的概念和波形机械振动在弹性介质内的传播称为波动，简称为波。人能听见声音的频率为20Hz～20kHz，即为声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为次声波，20kHz以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为100Hz～8kHz。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强9.1.1超声波的基本概念8/17/20214声波频率的界

3、限划分8/17/20215声波的分类1.次声波次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，7~8Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。8/17/202162.可闻声波美妙的音乐可使人陶醉。8/17/202173.超声波蝙蝠能发出和听见超声波。8/17/20218超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点。超声波雾化器超声波加湿器8/17/20219声波的波型（1）纵波—质点振动方向与波的传播方向一致的波。（2）横波—质点振动方向垂直于传播方

4、向的波。（3）表面波—质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面传播的波。横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体和气体中传播，表面波随深度增加衰减很快。为了测量各种状态下的物理量，多采用纵波。8/17/202110纵波8/17/202111横波8/17/202112表面波8/17/2021132.声速、波长与指向性（1）声速纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性系数、介质的密度以及声阻抗。介质的声阻抗Z等于介质的密度ρ和声速c的乘积，即Z=ρc8/17/202114常用材料的密度、声阻抗与声速（环

5、境温度为0℃）材料密度ρ(103kg·m-1)声阻抗Z（103MPa·s-1）纵波声速cL（km/s）横波声速cs（km/s）钢7.8465.93.23铝2.7176.323.08铜8.9424.72.05有机玻璃1.183.22.731.43甘油1.262.41.92—水（20℃）1.01.481.48—油0.91.281.4—空气0.00130.00040.34—8/17/202115（2）波长超声波的波长λ与频率f乘积恒等于声速c，即λf=c8/17/202116（3）指向性超声波声源发出的超声

6、波束以一定的角度逐渐向外扩散。在声束横截面的中心轴线上，超声波最强，且随着扩散角度的增大而减小。1—超声源2—轴线3—指向角4—等强度线8/17/202117指向角θ与超声源的直径D、以及波长λ之间的关系为sinθ=1.22λ/D设超声源的直径D=20mm，射入钢板的超声波（纵波）频率为5MHz，则根据式（可得θ=4o，可见该超声波的指向性是十分尖锐的。8/17/2021183.超声波的反射和折射超声波从一种介质传播到另一介质，在两个介质的分界面上一部分能量被反射回原介质，叫做反射波，另一部分透射过界

7、面，在另一种介质内部继续传播，则叫做折射波。这样的两种情况分别称之为声波的反射和折射，8/17/202119波的反射和折射8/17/202120（1）反射定律入射角的正弦与反射角'的正弦之比等于波速之比。当入射波和反射波的波型相同、波速相等时，入射角等于反射角'。（2）折射定律入射角的正弦与折射角的正弦之比等于超声波在入射波所处介质的波速c1与在折射波中介质的波速c2之比，即sin/sin=c1/c28/17/2021214.超声波的衰减超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐

8、渐衰减，其衰减的程度与超声波的扩散、散射及吸收等因素有关。超声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收，在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波散射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的，介质吸收声能并转换为热能。8/17/2021229.2超声波探头及耦合技术为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的