超声波传感器(上)总结
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第八章 超声波传感器
8.1 超声波及其物理性质 8.2 超声波传感器 8.3 超声波传感器的应用
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超声波的基本特性 超声技术是一门以物理学、电子学、机械及材料科学 为基础、应用十分广泛的通用技术之一。目前，超 声波技术广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各 个工业部门，例如超声清洗、超声焊接、超声加工、 超声检测和超声医疗等方面，并取得了很好的社会 效益和经济效益。因此，我国对超声波技术及其传 感器的研究十分活跃。在国民经济中，对提高产品 质量、保障生产安全和设备安全运行、降低生产成 本、提高生产效率等具有重要的意义。 超声波具有聚束、定向及反射、散射、透射等特性。 按超声振动辐射大小不同大致可分为：利用超声波 使物体或物件发生变化的功率效应，称之为功率超 声；利用超声波获取若干信息，称为检测超声。这 两种超声的应用，同样需要借助于超声波传感器(或 称为换能器、或探头)来实现。
ห้องสมุดไป่ตู้
振动方向和波 的传播方向垂 直。只能在固 体中传播。
书上振荡表示：
表面波
质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面传播的 波。表面波随深度增加衰减很快。表面波振动轨 迹是椭圆型，在固体表面传播。
一、 超声波的波形及其转换 由于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; ② 横波——质点振动方向垂直于传播方向的波;
当纵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、 折射外, 还发生横波的反射和折射, 在
某种情况下, 还能产生表面波。 二、 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
一般说来，人们可听到的声音频率范围大约为20Hz～20kHz， 即为可听声波。超过此频率范围的声音，即20Hz以下的声 音称为低频声波，20kHz以上的声音称为超声波。一般说话 的频率范围为100Hz～8kHz。 超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能 力越强，利用这种性质就可制成超声波传感器，系统中就 是利用了高频超声波反射能力强的特点，来实现距离的测 量。另外，超声波在空气中传播的速度较慢，一般为340 m/s，这就使得超声波传感器的使用变得非常简单。 超声波是高于听觉频率阈值的机械振动，超声波在声场（被超 声所充满的空间）传播时，如果超声波的波长与声场的尺 度相比，远小于声场的尺度，超声波就像处在一种无限介 质中，超声波自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长 与相邻介质的尺寸相近，则超声波受到界面限制不能自由 地向外扩散。
3. 超声波对超声场产生的作用(效应) (1) 机械作用 超声波在传播过程中，会引起介质质点交替地压缩与伸张，组成了压力 的变化，这种压力的变化将引起机械效应。超声波引起的介质质点运 动，位移虽然不大，但与超声振动频率的平方成正比的质点加速度却 很大，有时超过重力加速度的数万倍。这样大的加速度足以造成对介 质的强大机械效应，甚至能达到破坏介质的作用。 (2) 空化作用（清洗、分散、粉碎效应） 在流体动力学中指出，存在于液体中的微气泡(空化核)在声场的作用下 振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气 泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振动等一系列动力学过程称 为声空化。这种声空化现象是超声学及其应用的基础之一。 液体产生空化作用与介质的温度、压力、空化核半径、含气量、声强、 粘滞性、频率等因素有关。一般情况下、温度高易于空化；液体中含 气高、变化阀位低，易于空化；声强高也易于空化；频率高，空化阀 值高，不易于空化。例如，在15kHz时，产生空化的声强只需要 0.16～2.6W/cm；而频率在500kHz时，所需要的声强则为100～400 W/cm。 在空化中，气泡闭合时所产生的冲击波强度最大。局部压力可达到上千 个大气压，由此足以看出空化的巨大作用和应用前景。
射, 如图10 - 2所示。
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,
(3) 热学作用 如果超声波作用于介质时被介质所吸收，实际上 也是有能量吸收。同时，由于超声波的振动， 使介质产生强烈的高频振荡，介质间相互摩擦 而发热，这种能量能使液体、固体温度升高。 超声波在穿透两种不同介质的分界面时，温度 升高值更大，这是因为分界面上特性阻抗不同， 将产生反射，形成驻波引起分子间的相对摩擦 而发热。 超声波的热效应在工业、医疗上都得到了广泛应 用。超声波除了上述几种作用（效应）外，还 有声流效应、触发效应和弥散效应，它们都有 很好的应用价值。
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。
超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、 表面波等几种。
振动方向和波 的传播方向一 致。能在固体、 液体和气体中 传播。
第八章 超声波传感器
8.1 超声波及其物理性质
振动在弹性介质内的传播称为波动, 简称波。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。
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, 在介质面上会产生反射、折射和波形转换 等现象。
③ 表面波——质点的振动介于横波与纵波之间， 沿着表 面传播的波。 横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体 和气体中传播, 表面波随深度增加衰减很快。
为了测量各种状态下的物理量, 应多采用纵波。 纵波、 横波及其表面波的传播速度取决于介质的弹性 常数及介质密度 , 气体中声速为 344 m/s, 液体中声速在 900~1900 m/s。
8.1 超声波及其物理性质 8.2 超声波传感器 8.3 超声波传感器的应用
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超声波的基本特性 超声技术是一门以物理学、电子学、机械及材料科学 为基础、应用十分广泛的通用技术之一。目前，超 声波技术广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各 个工业部门，例如超声清洗、超声焊接、超声加工、 超声检测和超声医疗等方面，并取得了很好的社会 效益和经济效益。因此，我国对超声波技术及其传 感器的研究十分活跃。在国民经济中，对提高产品 质量、保障生产安全和设备安全运行、降低生产成 本、提高生产效率等具有重要的意义。 超声波具有聚束、定向及反射、散射、透射等特性。 按超声振动辐射大小不同大致可分为：利用超声波 使物体或物件发生变化的功率效应，称之为功率超 声；利用超声波获取若干信息，称为检测超声。这 两种超声的应用，同样需要借助于超声波传感器(或 称为换能器、或探头)来实现。
ห้องสมุดไป่ตู้
振动方向和波 的传播方向垂 直。只能在固 体中传播。
书上振荡表示：
表面波
质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面传播的 波。表面波随深度增加衰减很快。表面波振动轨 迹是椭圆型，在固体表面传播。
一、 超声波的波形及其转换 由于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; ② 横波——质点振动方向垂直于传播方向的波;
当纵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、 折射外, 还发生横波的反射和折射, 在
某种情况下, 还能产生表面波。 二、 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
一般说来，人们可听到的声音频率范围大约为20Hz～20kHz， 即为可听声波。超过此频率范围的声音，即20Hz以下的声 音称为低频声波，20kHz以上的声音称为超声波。一般说话 的频率范围为100Hz～8kHz。 超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能 力越强，利用这种性质就可制成超声波传感器，系统中就 是利用了高频超声波反射能力强的特点，来实现距离的测 量。另外，超声波在空气中传播的速度较慢，一般为340 m/s，这就使得超声波传感器的使用变得非常简单。 超声波是高于听觉频率阈值的机械振动，超声波在声场（被超 声所充满的空间）传播时，如果超声波的波长与声场的尺 度相比，远小于声场的尺度，超声波就像处在一种无限介 质中，超声波自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长 与相邻介质的尺寸相近，则超声波受到界面限制不能自由 地向外扩散。
3. 超声波对超声场产生的作用(效应) (1) 机械作用 超声波在传播过程中，会引起介质质点交替地压缩与伸张，组成了压力 的变化，这种压力的变化将引起机械效应。超声波引起的介质质点运 动，位移虽然不大，但与超声振动频率的平方成正比的质点加速度却 很大，有时超过重力加速度的数万倍。这样大的加速度足以造成对介 质的强大机械效应，甚至能达到破坏介质的作用。 (2) 空化作用（清洗、分散、粉碎效应） 在流体动力学中指出，存在于液体中的微气泡(空化核)在声场的作用下 振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气 泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振动等一系列动力学过程称 为声空化。这种声空化现象是超声学及其应用的基础之一。 液体产生空化作用与介质的温度、压力、空化核半径、含气量、声强、 粘滞性、频率等因素有关。一般情况下、温度高易于空化；液体中含 气高、变化阀位低，易于空化；声强高也易于空化；频率高，空化阀 值高，不易于空化。例如，在15kHz时，产生空化的声强只需要 0.16～2.6W/cm；而频率在500kHz时，所需要的声强则为100～400 W/cm。 在空化中，气泡闭合时所产生的冲击波强度最大。局部压力可达到上千 个大气压，由此足以看出空化的巨大作用和应用前景。
射, 如图10 - 2所示。
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,
(3) 热学作用 如果超声波作用于介质时被介质所吸收，实际上 也是有能量吸收。同时，由于超声波的振动， 使介质产生强烈的高频振荡，介质间相互摩擦 而发热，这种能量能使液体、固体温度升高。 超声波在穿透两种不同介质的分界面时，温度 升高值更大，这是因为分界面上特性阻抗不同， 将产生反射，形成驻波引起分子间的相对摩擦 而发热。 超声波的热效应在工业、医疗上都得到了广泛应 用。超声波除了上述几种作用（效应）外，还 有声流效应、触发效应和弥散效应，它们都有 很好的应用价值。
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。
超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、 表面波等几种。
振动方向和波 的传播方向一 致。能在固体、 液体和气体中 传播。
第八章 超声波传感器
8.1 超声波及其物理性质
振动在弹性介质内的传播称为波动, 简称波。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。
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, 在介质面上会产生反射、折射和波形转换 等现象。
③ 表面波——质点的振动介于横波与纵波之间， 沿着表 面传播的波。 横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体 和气体中传播, 表面波随深度增加衰减很快。
为了测量各种状态下的物理量, 应多采用纵波。 纵波、 横波及其表面波的传播速度取决于介质的弹性 常数及介质密度 , 气体中声速为 344 m/s, 液体中声速在 900~1900 m/s。