超声波传感器剖析

第7章 超声波传感器 表10-1 0～100℃范围内蒸馏水声速随温度的变化
第7章 超声波传感器 表10-1 0～100℃范围内蒸馏水声速随温度的变化
第7章 超声波传感器 超声波的反射和折射 （1）反射定律 当波速一致时
入射波 反射波
＝
（2）折射定律
'
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介质1
′
界面
sin c1 sin c2
表面波
c 0.9
G

纵波
c
E — 杨氏模量； — 泊松比； G —剪切弹性模量。
第7章 超声波传感器 超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。以水为 例，当蒸馏水温度在0～74℃时，声速随温度的升高而增加， 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、压强等也会引起声速的变化。 在固体中，纵波、横波及表面波三者的声速间有一定的关系： 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344m/s，液体中纵波声速为900～ 1900m/s。
第7章 超声波传感器
• 纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致。（固、液、
气）
• 横波：质点的振动方向垂直于波的传播方向。（固）
• 表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传
播，振幅随深度增加而迅速衰减。（固体表面）
第7章 超声波传感器
第7章 超声波传感器 超声波的传播速度 取决于介质的弹性常数及介质的密度，与自身频率无关。
介质2

折射波
c1—入射声波速, c2—折射声波速
第7章 超声波传感器 声波的反射系数和透射系数可分别由如下两式求得:
I r cos 2c2 I t 4 1c1 2c2 cos2 R T I 0 cos 1c1 I 0 ( 1c1 cos 2c2 )2 I0, Ir, It——分别为入射波、反射波、透射波的声强； ρ1c1、ρ2c2——分别为两介质的声阻抗。
2
2
第7章 超声波传感器
(3) 波型转换
当声波以某一角度入射到第二介 质（固体）的界面上时,除有纵 波的反射、折射以外，还会发生 横波的反射和折射 如果第二介质为液体或气体，则仅 有纵波，而不会产生横波和表面波。 （1）纵波全反射：折射波中便只有 横波存在 （2）横波全反射：介质的分界面上 只传播表面波。
第7章 超声波传感器
7.2 超声波传感器
能够完成产生超声波和接收超声波功能的装置就是超声 波传感器，也称为超声波换能器或超声波探测器。 • 应用： 超声波传播时间传感器、目标探测、流量测量、
液位测量、超声清洗、超声医疗等。 • 特点： 精度高，被测物体不受影响，使用寿命长 • 结构： 直探头、斜探头、双探头和液浸探头 • 工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁式
L
1
2
S1
L1
介质1
介质2

界面 L2

S2
L—入射纵波； L1 —反射纵波； L2 —折射纵波 S1 —反射横波； S2—折射横波。
第7章 超声波传感器 超声波的衰减 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
ax 2ax Px Pe ， I I e 0 x 0
当超声波垂直入射界面，即α=β=0时，则
2 c2 1 4 1c1 2 c2 c1 1 R , T 2 c2 2 ( c c ) 1 1 2 2 1 1c1 若ρ2c2≈ρ1c1，R≈0，T≈1，此时声波几乎没有反射，全部从第一介质透射入第 二介质； 若ρ2c2>>ρ1c1, R≈1，则声波几乎全反射，透射极少。 当ρ1c1>>ρ2c2，R≈1，声波几乎全反射。 在20℃水温时，故超声波从水介质中传播至水气界面时，将发生全反射。
地震发生后，能量通过波的形式传递，主要体现在纵波（P波）和横波（S波）上。
P波的传递速度快，达到每秒6公里左右，可通过固体、液体和空气介质传递，而横
波的传递速度慢一些，大约在每秒3.5公里，主要通过固体介质传递，两者属于体波 的范畴。与体波相对应的是表面波，面波沿着地表传播，因此从破坏力上看，表面 波的威胁最大，其次是横波和纵波。
声速＝ 弹性率 密度
在气体和液体中，由于不存在剪切应力仅有纵波的传播， 其传播速度c为 1 ρ——介质的密度；
c
Bn
Bn——绝对压缩系数。
在固体介质中，纵波、横波、表面波三者的声速分别为 横波 c
E
1 G 2(1 ) E 1 (1 )(1 2 )
第7章 超声波传感器 超声波的波型及其传播速度
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。
• 纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致。（固、液、气） • 横波：质点的振动方向垂直于波的传播方向。（固） • 表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深 度增加而迅速衰减。（固体表面）
压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它 是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应将高频电振 动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头； 而正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。
第7章 超声波传感器 压电式 它主要由压电晶片、 吸收块（阻尼块）、保护 膜、引线等组成。 压电 晶片多为圆板形， 厚度 为δ。超声波频率f与其厚 度 δ 成反比。压电晶片的 两面镀有银层，作导电的 极板。 阻尼块的作用是 降低晶片的机械品质， 吸收声能量。 如果没有 阻尼块，当激励的电脉冲 信号停止时， 晶片将会 继续振荡， 加长超声波 的脉冲宽度，使分辨率变 差。
式中：Px、Ix——距声源x处的声压和声强； x——声波与声源间的距离； α——衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。
声波衰减原因： 扩散衰减：随声波传播距离增加而引起声能的减弱。 散射衰减：超声波在介质中传播时，固体介质中颗粒界面或流体介质中悬浮 粒子使声波产生散射，一部分声能不再沿原来传播方向运动，而 形成散射。 吸收衰减：由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩 擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导 致声能的损耗。