第11章超声波传感器讲义

次 声波
声波
音乐 语言
超 声波
微波
0.2 5×1 06
20 ×106
探测
101 102
103
104
105
106
107
f/ Hz 6
• 20世纪中叶，人们发现某些介质的晶体，例如 石英晶体、酒石酸钾钠晶体、PZT晶体等，在 高电压窄脉冲作用下，能产生较大功率的超声 波。它与可闻声波不同，可以被聚焦，能用于 集成电路的焊接，显像管内部的清洗。
低于20赫兹(Hz)的机械振动人耳不可闻，称为次声波，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。但许多动物却能感受到。比如地震发生前
的次声波就会引起许多动物的异常反应。
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2).可闻声波
声波是一种机械波。当它的振动频率在20Hz～20kHz的范围内时， 可为人耳所感觉，称为可闻声波。美妙的音乐可使人陶醉。
传感技术与信号处理 第10章Байду номын сангаас
10.3 超声波传感器
1. 概述： 2. 超声波物理基础 3. 超声波传感器的原理 4. 超声波传感器的检测方式 5. 超声波探头 6. 超声波传感器的应用
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1.超声波特性： 人们能听到的声音是由物体振动产生的，它的频率在20HZ～
20kHZ范围内。频率超过20KHZ称为超声波，低于20HZ称为次 声波。检测中常用的超声波频率范围为几十kHZ到几十MHZ。 超声波具有以下基本性质。 1）. 传播速度 2）. 反射和折射现象 3）. 传播中的衰减 2.声波的分类： 1).次声波
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3).超声波
蝙蝠 能发出和 听见超声 波。
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蝙蝠依靠超声波捕食
频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。
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振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。其频率在 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, 频率在3×108~3×1011 Hz之间的波，称为微波。声波的频 率界限如图所示。
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(2). 波长 • 超声波的波长λ与频率f的乘积恒等于声速c,即
λf=c • 例如，将一束频率为5 MHz的超声波(纵波)射人钢板，查表可知，
纵波在钢中的声速CL=5．9km／s，所以此时的波长λ为1.18 mm，如果是可闻声波，其波长将大上千倍。 (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，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与超声源的直径D、以及波 长λ之间的关系为
sinθ=1.22λ／D
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3). 倾斜入射时的反射与折射 • 超声波在传播中通过两种不同介质时，会产生折射和
反射现象，其频率越高，反射和折射的特性与光波特 性越相似，如图所示。
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4).垂直入射时的反射与透射 (1).声压 介质中没有声波传播时，质点处于平衡状态，质点间有
相互作用力，此时质点所受到的压强称为静压强。当超声波在 介质中传播时，质点在平衡位置附近振动，质点所受压强产生 变化。质点所受交变压强与静压强之差称为声压P. 声压与介质 密度ρ声速c、质点的振幅χ及振动的角频率ω成正比，即 P=ρcxω • 超声波的角频率ω很大，虽然振幅很小，但加速度a却很大，所 以它对试件施加的力很大。将超声波施加在两片压紧的金属片 上时，可以将它们“焊接”在一起，称为超声波焊接。 (2)声强Ι 单位时间内，在垂直于声波传播方向上的单位面积A内 所通过的声能称为声强Ι，声强与声压P的平方成正比。
• 在检测方面，利用超声波有类似于光波的折射、 反射的特性，制作超声声纳探测器，可以用于 探测海底沉船、敌方潜艇等.
• 现在，超声波已渗透到我们生活中的许多领域， 例如B超、遥控、防盗、无损探伤等。
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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
超声波雾化器
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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。
• 由于机械波的振源施力方向与波在介质中传播的方向 不同，所以超生波的传播波型形式主要可分为纵波、 横波、表面波等几种。
(1)横波：质点的振动方向垂直于传播方向的波。它只能 在固体中传播，如图(a)所示。
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(3)表面波：质 点的振动介于 纵波和横波之 间，沿着表面 传播，它是振 动幅度随深度 的增大而迅速 衰减的波。表 面波只在固体 的表面传播。
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2. 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。
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1). 超声波的传播方式
超声波塑料 焊接机
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超声波金丝 焊接机
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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
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超声波用于高效清洗
当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生 一定的负压，即液体体积增加，液体中分子空隙加大， 形成许多微小的气泡；而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。经研究证明： 超声波作用于液体中时，液体中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。
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2).声速、波长与指向性
(1)声速 : 声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。
• 表示出了几种常用材料的声速与密度、声阻抗的关系。在这里，声阻抗是描 述介质传播声波特性的一个物理量。介质的声阻抗Z等于介质的密度P和声 速c的乘积，即 Z=pc
• 固体的横波声速约为纵波声速的一半，且与频率关系不大。而表面波的声速 约为横波声速的90％，故又称表面波为慢波。温度越高，声速越慢。