第七章-超声波传感器.pptx

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1、第七章超声波传感器主讲人：陈寅时间：9/1/2021导入汽车倒车雷达导入汽车倒车雷达工作原理图目录content01超声波的物理性质02超声波传感器的材料及结构03超声波传感器的应用超声波的物理性质011.1声波的分类次声波是频率低于20赫兹的声波，次声波的特点是波长大、传播远、穿透力强。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。1）次声波1.1声波的分类可闻声波其频率在20Hz~20kHz之间，能为人耳所闻的机械波。2）可闻声波美妙的音乐，可以使人心情愉悦。1.1声波的分类超声波是指高于

2、20kHz的机械波。（其中频率在3×108~3×1011Hz之间的波又称为微波）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。3）超声波图10-1声波的频率界限图当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。1.1声波的分类1.2超声波的波形声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同。通常有：①纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播；②横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播；③表面波：质点

3、的振动介于横波与纵波之间，在固体表面的平衡位置作椭圆轨迹沿着固体的表面向前传播的波，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。1.2超声波的波形动态演示：1.3声速、波长及指向性1）声速超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波的传播，其传播速度c为式中：ρ——介质的密度；Bn——绝对压缩系数。上述的ρ、Bn都是温度的函数，使超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化。1.3声速、波长及指向性另外，声阻抗Z是描述介质传播声波特性的一个物理量，介质的声阻抗为介质密度ρ与声速C

4、的乘积，即Z＝ρC在固体中，纵波、横波和表面波三者的声速有着一定的关系。通常横波的声波约为纵波声速的一半，表面波声速约为横波声速的90％。1.3声速、波长及指向性2）波长超声波的波长λ与频率f的乘积等于声速CC＝λf3）指向性超声波声源发出的超声波束是以一定的角度向外扩散的。如右图所示。在声源的中心轴线上声强最大，随着扩散角度的增大声强逐步减小。半扩散角、声源直径D以及波长λ之间的关系为：sin＝1.22λ/D1.4超声波的反射与折射1）反射定律入射角α的正弦与反射角α′的正弦之比等于波速之比，当入射波和反射波的波形相同，波速相等时，反射角α′等于入射

5、角α。2）折射定律入射角α的正弦与折射角β的正弦之比等于入射波中介质的波速C1与折射波中介质的波速C2之比，即1.4超声波的反射与折射3）反射系数反射声强Ir与入射声强Ii之比，称为反射系数r，即r==当超声波垂直入射时，α＝β＝00，上式可简化为r=由上式可知，当两种介质的声阻抗相差越悬殊，反射系数越接近于1，即反射能力就越强,折射能力相对越弱。4）折射系数折射声强Ip与入射声强Ii之比称为折射系数p，p=1-r1.5超声波的衰减声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规

6、律为式中：Px、Ix——距声源x处的声压和声强；x——声波与声源间的距离；α——衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。1.5超声波的衰减扩散衰减是指随声波传播距离增加而引起声能的减弱。在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散。散射衰减是指超声波在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能不再沿原来传播方向运动，而形成散射。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、介质的性质和散射粒子的性质有关。吸收衰减是由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传导进

7、行热交换，导致声能的损耗。超声波传感器的材料及结构022.1超声波传感器的材料利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置称为超声波传感器、探测器或换能器，也称为探头。超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中以压电式最为常用。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电效应来工作的。2.1超声波传感器的材料压电效应有正向压电效应和逆向压电效应。超声波发送器——是利用逆向压电效应制成，即在压电元件上施加电压，元件就变形（也称应变）引起空气振动产生超声波，超声波以疏

8、密波形式传播，传送给超声波接收器。超声波接收器——是利用正向压电效应制成，即接收到的超声波促使