超声波传感器概述

超

声

波

传

感

器

概

述

姓名：***

学号：*********

班级：13级电气（三）班

摘要：人能听见声音的频率为20HZ-20KHZ，即为可听声波，20HZ以下的声音称为次声波，超出20KHZ以上的声波为超声波。超声技术是通过超声波产生、传输及接收的物理过程完成的。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。该技术在国民经济中，对提高产品质量，保障生产和设备安全运作，降低生产成本，提高生产效率具有潜在能力。因此，我国对超声技术和超声波传感器的研究十分活跃。

参考文献：①《现代传感技术与系统》林玉池、曾周末主编---北京：机械工业出版社2009.6 I版

②《工业常用传感器选型指南》曲波、肖胜兵、吕建平编著—北京：清华大学出版社.I版

③《生物医学传感技术》（加拿大）Iniewski等著：陈星、刘清君、王平译—北京：机械工业出版社.2014.9

一、声波的多普勒效应

当声波和观察者（或声波接收器）在连续介质中相对运动是观察者接收到声波频率与声源发生的频率不同，两者靠近时频率升高，远离时频率降低，这种现象称为声音的多普勒效应。

当声源和观测者分别以速度Vs和Vo运动时，并且运动方向在同一条直线上，则观察者接收到的声波频率为f为.

f=(V±Vo/-V±Vs)*f1

式中，f1为声源振动频率；V为介质中的声速；当观察者向着声源运动时，V o取“+”，反之取“—”；声源向着观察者运动时，Vs取“—”，反之取“+”。

利用声波的多普勒效应可以制成超声波传感器，用以检查人体活动器官（如心脏，血管）的活动等。

二、超声波与超声波传感器

2.1超声波的特性

超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大于人的听觉上限而得名。

科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹(Hz)。我们人类耳朵能听到的声波频率为20Hz-20000Hz。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。通常用于医学诊断的超声波频率为1兆赫兹-30兆赫兹。

理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大.在中国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈

的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度，这就是超声波加湿器的原理。如咽喉炎、气管炎等疾病，很难利用血流使药物到达患病的部位，利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够提高疗效。利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。超声波在医学方面应用非常广泛，可以对物品进行杀菌消毒。

2.1.1超声波的基本特性

超声波具有以下四个基本特性：

①射特性：超声波波长段，发散性能较弱，可以近似集中成一束射

线；

②吸收特性：超声波在空气、液体和固体中均会被吸收。空气中的

吸收最强烈，固体中的吸收微弱；

③高功率：由于频率高，超声波的功率比声波大得多，它不仅能使

所通过的介质产生急速运动，甚至会破坏其分子结构；

声压作用：超声波振动使物质分子产生压缩和稀疏作用，这种由于声波振动引起的附加压力现象叫声压现象。2.1.2超声波在介质中传输导致的效应

上述基本特性使超声波在媒体中产生如下效应：机械效应、热学效应、空化效应、声流效应和生物学效应。

基于以上特性，超声波在工业、农业、国防、医药卫生和科学研究等方面得到广泛的应用。

2.1.3超声波的波型及其转换

超声波的波型、转换方式以及传输速度等方面同声波一致。

①波型：由于声源在介质中的施力方向与波在介质中传播方向不同，

声波的波型也不同。通常有纵波，能在固体、液体和气体中传播；

横波，只能在固体中传播；表面波，质点的振动介于纵波和横波之间，质点振动的轨迹是椭圆形（其长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向），只沿着固体表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波。

②波型转换：当纵波以某一角度入射到第二种固体介质的界面上时，

除有纵波的反射、折射以外，还发生横波的反射及折射。在某种情况下，还能产生表面波，各种波型都符合反射及折射定律。

③传播速度：纵波、横波以及表面波的传播速度，取决于介质的弹

性常数及密度。由于气体和液体的剪切模量为零，所以超声波在气体和液体中没有横波，只能传播纵波。气体中的声速为344m/s，液体中声速为900-1900m/s；在固体中纵波、横波和表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波声速的一般，表面波声速约为横波声速的90%。

2.1.4声波在介质中的衰减特性

声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其声压和声强的衰减规律为：

Px=Po*e^(-ax),Ix=Io*e^(-2ax)

式中，Px,Ix为平面波在x处的声压和声强；Po,Io为平面波在x=0处的声压和声强；a为衰减系数。

声波能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。在理想的介质中声波的衰减仅仅来自声波的扩散，随着声波传播距离的增加，在单位面积内声能会减弱。散射衰减指声波在介质的导热性、黏滞性及弹性滞后等因素造成的，如介质吸收声能并转换为热能，吸收随声波频率的升高而增高。因此，衰减系数a因介质材料的性质而异，晶粒越粗、频率越高衰减愈大，衰减系数往往会限制最大探测厚度。

2.2超声波传感器

以超声波作为检测手段，必须有能产生和接收超声波功能的装置，这个人装置称为超声波传感器。习惯上称为超声波换能器，或超声波探头。超声波传感器有压电式、磁致伸缩式、电磁式等。在检测技术中最常用的是压电式超声波探头。

压电式超声波传感器的敏感元件一般用压电晶体，可发射和也可接收超声波。超声波传感器因其结构和使用的波型不同可分为直探头、表面波探头、兰姆波探头、可变角探头、双晶探头、聚焦探头、水浸探头、喷水探头和专用探头等。

1.直探头