07第七章 超声波传感器

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2.可闻声波
美妙的音乐可使人陶醉。
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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
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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
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超声波雾化器
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超声波金丝 焊接机
面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的
表面传播。
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纵 波
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横波
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表面波
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三、超声波传播速度
超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在
气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波的
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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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超声波在医学检查 中的应用
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胎儿的 B超影像
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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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二、超声波的波型以及传播方式
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，它能在 固体、液体和气体介质中传播；
② 横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固 体介质中传播；
③ 表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表
第七章 超声波传感器
本章主要学习超声波的物 理特性，着重了解超声波在检 测技术中的一些，也涉及无损 探伤的设备及方法。
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超声波物理基础
一、超声波分类
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, 如图10-1所示。频率在3×108~3×1011 Hz之间的波，称为微 波。
质透射入第二介质；若ρ2c2>>ρ1c1, 反射系数R≈1，则声 波 在 界 面 上 几 乎 全 反 射 ， 透 射 极 少 。 同 理 ， 当 ρ1c1 >>ρ2c2时，反射系数R≈1，声波在界面上几乎全反射。 如 ： 在 20℃ 水 温 时 ， 水 的 特 性 阻 抗 为 ρ1c1 =1.48×106kg/(m2·s), 空 气 的 特 性 阻 抗 为 ρ2c2 =0.000 429×106 kg/(m2·s), ρ1c1 >> ρ2c2, 故超声波从水介质中传 播至水气界面时， 将发生全反射。
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声波的频率界限图
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，在介质界面上会产生反射、折射和波型转换等 现象。
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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。
在固体中，纵波、横波及其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的一半，表面波声速为横波声速的 90% 。 气 体 中 纵 波 声 速 为 344 m/s ， 液 体 中 纵 波 声 速 在 900 ～ 1900m/s。
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五、 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 所示。
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12来自百度文库
超声波清洗原理及清洗器
（参考湖南省浏阳市医用仪具厂 、北京德泰隆科技发展有限责任公司资料）
气泡
清洗物
波浪
超声换能器
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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。
超声波塑料 焊接机
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声波的反射系数和透射系数可分别由如下两式求得:
RIr I0
ccooss 21cc122
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TIt I0
(41c1c11co2cs2c2oc22)s2
式中：I0, Ir, It——分别为入射波、反射波、透射波的声强；
α、β——分别为声波的入射角和折射角；
ρ1c1、ρ2c2——分别为两介质的声阻抗，其中c1和c2分别为 反射波和折射波的速度。
传播，其传播速度c为
c 1 Bn
式中：ρ——介质的密度；
Ba——绝对压缩系数。
上述的ρ、Ba都是温度的函数，使超声波在介质中的传播速 度随温度的变化而变化，下表为蒸馏水在0～100℃时声速随温 度变化的数值。
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0～100℃范围内蒸馏水声速随温度的变化
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从表可见，蒸馏水温度在0～100℃范围内，声速随温度的变 化而变化，在74℃ 时达到最大值，大于74℃ 后， 声速随温 度的增加而减小。此外，水质、压强也会引起声速的变化。
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当超声波垂直入射界面，即α=β=0时，则
R
1
1
2c2 1c1 2c2 1c1
2
T
4 1c1 2c 2 ( 1c1 2c 2 )2
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由上面两式可知，若ρ2c2≈ρ1c1，则反射系数R≈0， 透射系数T≈1，此时声波几乎没有反射，全部从第一介
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超声波的反射和折射
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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β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 c1 sin c2