第10章超声波传感器 0.1超声波及其物理性质 10.2超声波传感器 10.3超声波传感器的应用 返回主目录
10.1 超声波及其物理性质 10.2 超声波传感器 10.3 超声波传感器的应用 第10章 超声波传感器 返回主目录
第10章超声波传感器 10.1超声波及其物理性质 振动在弹性介质内的传播称为波动,简称波。频率在 16~2×104Hz之间,能为人耳所闻的机械波,称为声波;低于16 Hz的机械波,称为次声波;高于2×104Hz的机械波,称为超声 波。如图10-1 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,在介质面上会产生反射、折射和波形转换 等现象
第10章 超声波传感器 10.1 超声波及其物理性质 振动在弹性介质内的传播称为波动, 简称波。频率在 16~2×104 Hz之间, 能为人耳所闻的机械波, 称为声波; 低于16 Hz的机械波, 称为次声波; 高于2×104 Hz的机械波, 称为超声 波。 如图10 - 1。 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, 在介质面上会产生反射、折射和波形转换 等现象
次声波 声波 超声波 微波 音乐 0.25×106 20×10 语 探测 104 107 f/Hz 图10-1声波的频率界限图
超声波的波形及其转换 由于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; ②横波—质点振动方向垂直于传播方向的波; 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,应多采用纵波 纵波、横波及其表面波的传播速度取决于介质的弹性 常数及介质密度,气体中声速为344ms,液体中声速在 900~1900m/s
一、 超声波的波形及其转换 由于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; ② 横波——质点振动方向垂直于传播方向的波; 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, 应多采用纵波。 纵波、 横波及其表面波的传播速度取决于介质的弹性 常数及介质密度, 气体中声速为344 m/s, 液体中声速在 900~1900 m/s
当纵波以某一角度入射到第二介质(固体)的界面上 时,除有纵波的反射、折射外,还发生横波的反射和折射,在 某种情况下,还能产生表面波 超声波的反射和折射 声波从一种介质传播到另一种介质,在两个介质的分界 面上一部分声波被反射,另一部分透射过界面,在另一种介 质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折 射,如图10-2所示
当纵波以某一角度入射到第二介质（固体）的界面上 时, 除有纵波的反射、 折射外, 还发生横波的反射和折射, 在 某种情况下, 还能产生表面波。 二、 声波从一种介质传播到另一种介质, 在两个介质的分界 面上一部分声波被反射， 另一部分透射过界面, 在另一种介 质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折 射, 如图10 - 2所示
介质I 介质Ⅱ 图10-2超声波的反射和折射
由物理学知,当波在界面上产生反射时,入射角a的正弦与 反射角a的正弦之比等于波速之比。当波在界面处产生折射时, 入射角α的正弦与折射角的正弦之比,等于入射波在第一介质中 的波速C1与折射波在第二介质中的波速C2之比,即 sin a C1 sin B C2 三、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律为 X (10-2) 10-3)
由物理学知, 当波在界面上产生反射时, 入射角α的正弦与 反射角α′的正弦之比等于波速之比。当波在界面处产生折射时, 入射角α的正弦与折射角的正弦之比, 等于入射波在第一介质中 的波速C1与折射波在第二介质中的波速C2之比, 2 1 sin sin c a c = 三、 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 Px = P0e -αx （10 - 2） Ix = I0e -2αx （10 - 3）
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 a—衰减系数,单位为Nm(奈培/米) 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
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 /m（奈培/米）。 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
102超声波传感器 利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的 装置可称为超声波换能器、探测器或传感器。 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,而以压电式最为常用 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:逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振 动,从而产生超声波,可作为发射探头;而利用正压电效应,将 超声振动波转换成电信号,可用为接收探头
10.2 利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的 装置可称为超声波换能器、 探测器或传感器。 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, 而以压电式最为常用。 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: 逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振 动, 从而产生超声波, 可作为发射探头; 而利用正压电效应, 将 超声振动波转换成电信号, 可用为接收探头
超声波探头结构如图10-3所示,主要由压电晶片、吸收 块(阻尼块)、保护膜组成。压电晶片多为圆板形,厚度为δ。 超声波频率f与其厚度δ成反比。压电晶片的两面镀有银层,作 导电的极板。阻尼块的作用是降低晶片的机械品质,吸收声能 量。如果没有阻尼块,当激励的电脉冲信号停止时,晶片将会 继续振荡,加长超声波的脉冲宽度,使分辨率变差
超声波探头结构如图10 - 3所示, 主要由压电晶片、 吸收 块（阻尼块）、 保护膜组成。压电晶片多为圆板形, 厚度为δ。 超声波频率f与其厚度δ成反比。压电晶片的两面镀有银层, 作 导电的极板。阻尼块的作用是降低晶片的机械品质, 吸收声能 量。如果没有阻尼块, 当激励的电脉冲信号停止时, 晶片将会 继续振荡, 加长超声波的脉冲宽度, 使分辨率变差