第七章超声波传感器

各种双晶直探头
焦距范围：5~40mm, 频率范围：2.5~5MHz， 在钢中的折射角：45 ~70
接触法双晶斜探头（续）
水浸探头
（可用自来水作为耦合剂）
选择声透镜 形状，可决定 聚焦形式为点 聚焦或线聚焦。
聚焦探头
由于超声波的波长很短（毫米数量级），所 以它也类似光波，可以被聚焦成十分细的声束， 其直径可小到1mm左右，可以分辨试件中细小 的缺陷，这种探头称为聚焦探头。 聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波； 也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜； 也可以利用类似光学反射镜的原理制作声凹面 镜来聚焦超声波。
表面波
能量集中于表面附近的弹性波。地震学、天文学、 雷达通信及广播电视中的信号处理、航空航天、石 油勘探和无损检测等。
超声波的指向角
几种常用材料的声速与密度、声阻抗的关系 （环境温度为0℃）
材料 钢 铜 密度 声阻抗 纵波声速 横波声速
ρ/103kg· m-1
7.7 8.9
Z /MPa· s· m-1
460 420
cL/km· s-1
5.9 4.7
cS/km· s-1
3.2 2.2
铝
有机玻璃
2.7
1.18
170
32
6.3
2.7
3.1
1.20
甘油
水(20℃) 机油
1.27
1.0 0.9
24
14.8 12.8
1.9
1.48 1.4
—
— —
空气
0.0012
4×10-3
0.34
—
超声波的指向角
超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐向 外扩散，声场指向性及指向角如图所示。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。指向角 θ（单位为 rad）与超声源的 直径D以及波长λ之间的关系为
超声波的折射定律
入射角α的正弦与折射角 β的正弦之比，等于超声波 在入射波所处介质 1 的声速 c1 与折射波所处介质 2 中的 传播速度cs之比，即 sinα/sinβ = c1 /cs 在上图中，折射角大于入射角，说明第二介质的声 速cs大于第一介质的声速c1（与密度有关）。
超声波的反射率与折射率
当声波垂直入射到光滑的界面上时的示意图如图所 示，入射声压pi、反射声压pr、透射声压pd三者之间满 足如下关系： p i+ pr = pd 反射波和透射波声压的比例与组成界面的两种介质 的声阻抗 Z 有关。界面一侧的总声压等于另一侧的总 声压，压强处于平衡状态。将反射声压 pr与入射波声 压pi之比称为声压反射率γ。 pr Z 2 Z1 pi Z 2 Z1 与此对应，透射波声压pd 与入射波声压pi之比称为声压透射率d：
波的能量,相当于振幅相同,频率为1000Hz可闻声波的100 万倍,能穿透几米厚的钢板,而能量损失不大。在遇到两 种介质的分界面(例如钢板与空气的交界面)时,能产生明 显的反射和折射现象。
1.次声波
次声波炸弹
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，8Hz左右的次声 波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致 心脏停止跳动。
以上计算说明，超声波从声阻抗小的材料（密度通常 也较小），入射到声阻抗大的材料（密度通常也较大， 例如钢）时，透射声压反而增大。本例中，透射率d高 达193.8%，而反射率也较大，γ达93.8%，必须予以吸 收，才不至于造成干扰。
水浸探头在水中将超声波耦合到 钢板中的反射率与透射率
水浸探头在水中将超声波耦合到钢板中的
各种接触式斜探头
常用频率范围：1~5MHz
接触法双晶直探头
发射晶片
接收晶片
将两个单晶探头组合 装配在同一壳体内，其 中一片发射超声波，另 一片接收超声波。两晶 片之间用一片吸声性能 强、绝缘性能好的薄片 加以隔离。 双晶探头的结构虽然 复杂些，但检测准确度 比单晶直探头高，且超 声信号的反射和接收的 控制电路简单。
超声波在介质中的衰减
以固体介质为例，设超声波 进入介质时的声强为Ii， 通过一定距离x的介质后的 声强衰减为Ix，衰减系数为K， 则有：Ix= I ie -K x
1－超声探头 2－耦合剂 3－试件 4－被测试点 介质的晶粒越粗或密度越小，K 就越大，衰减就越快； 频率越高，衰减也越快。气体的密度很小,因此衰减较 快，因此在空气中传导的超声波的频率选得较低，约数 十千赫。而在固体、液体中则选用较高的超声频率 （MHz数量级）。
2.可闻声波 （20Hz~20kHz）
美妙的音乐可使人陶醉。
280Hz~2560 Hz频率段称 为中高声频。 小提琴约有 四分之一的 较高音域在 此频段。
3.超声波
蝙蝠能 发出和听 见超声波。
蝙蝠依靠超声波定位
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Biblioteka Baidu加湿器
超声波雾化器
sin 1.22

D
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22
超声波入射角与反射角、折射角
Pc－入射波 α－入射角 Pr－反射波 αr－反射角 Ps－折射波 β－折射角
超声波的反射定律
超声波入射角 α 的正弦与反射角 α r的正弦之比，等 于入射波所处介质的声速 c1 与反射波所处介质的声速 cr之比，即：sinα/sinαr=c1/cr 如果出射波的波型与入射波的波型都是纵波， 则αr=α。
pd 2Z 2 d pi Z 2 Z1
Z1——介质1的声阻抗；Z2——介质2的声阻抗
超声波的反射率与折射率的讨论
1）当介质1与介质2的声阻抗相等或十分接近时， γ=0，d=1。即不产生反射波，可以视为全透射。 2）当超声波从声阻抗（ Z1 ）低的介质射向声阻抗 （ Z2 ）高的介质时，反射声压 pr与入射声压 pi相位相 同，但透射声压 pd 却大于入射声压 p i （能量仍然守 恒） 。 3）当超声波从声阻抗（ Z1 ）大的介质射向声阻抗 （ Z2 ）小的介质时，反射声压 pr与入射声压 pi相位相 反，且透射声压pd小于入射声压pi。
第七章
7.1
超声波传感器 目录
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进入
超声波物理基础
7.2
7.3 7.4
超声波换能器及耦合技术
超声波传感器的应用 无损探伤
进入
进入
2015-4-29
3
第一节 超声波的物理基础
声波的分类：次声波、可闻声波与超声波。 频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。 超声波的特性：指向性好，能量集中。1MHz的超声
胎儿的 B超影像
大功率超声波用于高效清洗
当强的声波信号作用于液体时，则会对液体 产生一定的正压，即液体体积被压缩减小，液 体中形成的微小气泡被压碎。 每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波， 相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大 气压的压力，这种现象被称之为“空化作用”， 超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的 冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。 超声清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗 仪器等行业。
接插件
底部耐磨材料
压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30、45 等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料的 被测介质（试件）接触时，超声波将产生一定角度 的折射，倾斜入射到试件中去，可产生多次反射， 而传播到较远处去。
瑞利波和兰姆波
瑞利波：一种界面弹性波。是沿半无限弹性介质自 由表面传播的偏振波 。由 L.瑞利于 1887 年首先指出 其存在而得名。地震学中称其为R波或L波。在表层附 近，质点的运动轨迹为椭圆； 在离表面为 0.2 个波长的 深度以下，其运动轨迹仍为 椭圆,但运动方向与表层相反。 兰姆波： 因物体两平行表面所限而形成的纵波与横波组合的 波，它在整个物体内传播，质点作椭圆轨迹运动。多 用于金属薄板的无损探伤。选择较短波长的兰姆波有 利于缺陷的检出。 2015-4-29 37
压电陶瓷或磁致 伸缩材料在高电压
窄脉冲作用下，可
得到较大功率的超 声波，可以被聚焦， 能用于集成电路及 塑料的焊接。
超声波塑料焊接机
超声波金丝 焊接机
超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在 遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射 和折射现象，这一现象类似于光波。
便携式超声波 探鱼器
超声波在医学检查 中的应用
各种超声波探头
常用频率范围：0.5~10MHz， 常见晶片直径：5~30mm
接触式直探头 （纵波垂直入射 到被检介质）
保护膜
外壳用金属制 作，保护膜用硬度 很高的耐磨材料制 作，防止压电晶片 磨损。
接插件
接触式
直探头原理
超声脉冲电压 输入端
接地端
保护膜
耦合剂
被测物上表面
接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）
例：当超声波从水中入射到钢板与水的界面时， 求反射率γ、透射率d。 解 查表7-1可得，Z水=14.8MPa· s· m-1，
Z钢=460MPa· s· m-1，则有
460 14.8 0.938 0 460 14.8 注：透射声强Id仍然小于入射 2 46 1.938 1 声强I i，而且遵守能量守恒定 d 460 14.8 律： I d +I r =I i d 1
超声波的波型分类
纵波在钢材中的传播 纵波
纵波质点的运动方向
横波
表面波在钢材表面的传播
1－超声波发生器 2－钢材
纵波（疏密波）纵波。在介质中传播时， 波的传播方向与质点振动方向一致。
横波
横波也称“凹凸 波”，是介质粒子振 动方向和波行进方向 垂直的一种波。也称S 波,若此波沿着x轴移动， 则振动方向为与x轴垂 直的方向上。
聚焦探头原理及外形
水浸聚焦探头
超声波探头中的压电陶瓷芯片
将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆 压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动 波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用 压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷 和电压。
压电陶瓷的主要性能指标
(1) 介电常数 ：1000~6000 (2) 压电灵敏度D33 ：300~600pC/N ( 3) 机械品质因素Q：100~2000 (4) 居里温度：300~400℃ (5）静电容：1000 ~ 100000pF（与面积有关） ( 6）频率范围(与压电陶瓷的宽厚比有关)： 用于超声清洗：30~100kHz 用于探伤仪及流量计：2.5~5MHz 用于雾化器：1~2MHz
反射率与透射率
例： 上例中，当超声波已经在钢板中传播了一段距 离 l ，并到达钢板底面时，若底面是钢、水界面，再求 反射率γ2及透射率d2。 14.8 460 0.938 0 解：与上题相反， 14.8 460 Ｚ 2＝ Ｚ 水 ， 2 14.8 d 0.062 1 1.48 460 Ｚ1＝Ｚ钢，所以有： 以上计算表明，超声波从声阻抗大的材料透射到声阻 抗小的材料时，声压的大部分被反射。本例中，反射率 γ高达93.8%，透射到水中的声压pd1只有6.2%。如果钢 板的底面是与空气交界时，则泄漏量就更小了。超声波 的这一特性有利于金属探伤和测厚。
超声波清洗原理及清洗器
气泡 波浪
清洗物
超声换能器
第一节
超声波物理基础
频率高于20kHz的机械振动波称为超声 波。它的指向性很好，能量集中，因此穿 透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量 损失不大。在遇到两种介质的分界面（例 如钢板与空气的交界面）时，能产生明显 的反射和折射现象，超声波的频率越高， 其声场指向性就愈好。
机电类 《自动检测技术及应用》
多媒体课件
（共13章，第七章）
统一书号：ISBN 978-7-111-34300-4
课程配套网站 www.sensor-measurement.net 或www.liangsen.net
2012年7月版
2015-4-29 1
第七章
超声波传感器
本章介绍超声波的物理基础，超声波 换能器的分类、结构，耦合技术等，介 绍超声波在检测技术中的应用，也涉及 无损探伤的原理、方法及设备。
第二节
超声波换能器及耦合技术
回目录
a）单晶直探头 b）双晶直探头 c）斜探头 1－接插件 2－外壳 3－阻尼吸收块 4－引线 5－压电晶体 6－保护膜 7－隔离层 8－延迟块 9－有机玻璃斜楔块 10－耦合剂 11－试件
超声波换能器（超声探头）的外形
超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工 作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检 测技术中主要采用压电式。超声波探头又分为直探头、 斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、 水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探 头等。