俗称直探头压电晶片采用PZT压电陶瓷材料制作
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（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=ρc
2020/3/3
13
常用材料的密度、声阻抗与声速 （环境温度为0℃）
材料
钢 铝 铜 有机玻璃 甘油 水（20℃） 油 空气
2020/3/3
sin / sin = c1 / c2
2020/3/3
20
4.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。
2020/3/3
22
9.2.1 微波的性质与特点
1、微波频段的划分
波段 L S X K Q V W
频率范围/GHz 0.390~1.550 1.550~5.200 5.200~10.900 10.900~36.000 36.000~46.000 46.000~56.000
56.000~100.000
（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。
2020/3/3
9
纵 波
2020/3/3
10
横波
2020/3/3
11
表面波
2020/3/3
12
2.声速、波长与指向性
2020/3/3
21
9.2 微波传感器
微波传感器的基本原理是根据微波的传播特 性（反射、透射、散射、干涉等）以及被测 材料的电磁特性(介电常数和损耗角正切)， 通过对微波基本参数的测量，实现对物理量 的感知。因此在学习微波传感器之前，先对 微波的相关知识作一个简单的介绍，以更好 地掌握和使用微波传感器来检测相应的物理 量。
2020/3/3
16
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。
2020/3/3
17
3.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，
0.0004
0.34
—
14
（2）波长
超声波的波长λ与频率f乘积恒等于声速c，
即
λ f =c
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15
（3）指向性
超声波声源发出的超声波束以一定的角 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
2020/3/3
18
波的反射和折射
2020/3/3
19
（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
第9章 波式传感器
2020/3/3
1
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。
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）
7.8
46
5.9
3.23
2.7
17
6.32
3.08
8.9
42
4.7
2.05
1.18
wenku.baidu.com3.2
2.73
1.43
1.26
2.4
1.92
—
1.0
1.48
1.48
—
0.9
1.28
1.4
—
0.0013
2020/3/3
2
9.1超声波及其物理性质
9.1.1 超声波的基本概念
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
2020/3/3
3
声波频率的界限划分
2020/3/3
4
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。
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在真空中波长/cm 76.9~19.3 19.3~5.77 5.77~2.75 2.75~0.834 0.834~0.652 0.652~0.536 0.536~0.300
微波以波的形式向四周辐射，当波长远小于物体尺寸时，微波具有似光性； 当波长和物体尺寸有相同数量级时，微波又有近于声学的特性。
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23
9.2.1 微波的性质与特点
5
2.可闻声波
美妙的音乐可使人陶醉。
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6
3.超声波
蝙蝠
能发出和 听见超声 波。
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7
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。
超声波加湿器
2020/3/3
超声波雾化器
8
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 向的波。
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=ρc
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13
常用材料的密度、声阻抗与声速 （环境温度为0℃）
材料
钢 铝 铜 有机玻璃 甘油 水（20℃） 油 空气
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sin / sin = c1 / c2
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4.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。
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9.2.1 微波的性质与特点
1、微波频段的划分
波段 L S X K Q V W
频率范围/GHz 0.390~1.550 1.550~5.200 5.200~10.900 10.900~36.000 36.000~46.000 46.000~56.000
56.000~100.000
（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。
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纵 波
2020/3/3
10
横波
2020/3/3
11
表面波
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12
2.声速、波长与指向性
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9.2 微波传感器
微波传感器的基本原理是根据微波的传播特 性（反射、透射、散射、干涉等）以及被测 材料的电磁特性(介电常数和损耗角正切)， 通过对微波基本参数的测量，实现对物理量 的感知。因此在学习微波传感器之前，先对 微波的相关知识作一个简单的介绍，以更好 地掌握和使用微波传感器来检测相应的物理 量。
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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。
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3.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，
0.0004
0.34
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（2）波长
超声波的波长λ与频率f乘积恒等于声速c，
即
λ f =c
2020/3/3
15
（3）指向性
超声波声源发出的超声波束以一定的角 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
2020/3/3
18
波的反射和折射
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19
（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
第9章 波式传感器
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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。
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）
7.8
46
5.9
3.23
2.7
17
6.32
3.08
8.9
42
4.7
2.05
1.18
wenku.baidu.com3.2
2.73
1.43
1.26
2.4
1.92
—
1.0
1.48
1.48
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1.28
1.4
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9.1超声波及其物理性质
9.1.1 超声波的基本概念
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
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声波频率的界限划分
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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。
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在真空中波长/cm 76.9~19.3 19.3~5.77 5.77~2.75 2.75~0.834 0.834~0.652 0.652~0.536 0.536~0.300
微波以波的形式向四周辐射，当波长远小于物体尺寸时，微波具有似光性； 当波长和物体尺寸有相同数量级时，微波又有近于声学的特性。
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9.2.1 微波的性质与特点
5
2.可闻声波
美妙的音乐可使人陶醉。
2020/3/3
6
3.超声波
蝙蝠
能发出和 听见超声 波。
2020/3/3
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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。
超声波加湿器
2020/3/3
超声波雾化器
8
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 向的波。