超声波特性

2．1 超声波的定义

波是由某一点开始的扰动所引起的，并按预定的方式传播或传输到其他点上。声波是一种弹性机械波。人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反应，能引起人们听觉的机械波频率在20Hz~20KHz ，超声波是频率大于20KHz 的机械波。

在超声波测距系统中，用脉冲激励超声波探头的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动在与其接触的介质中传播，便形成了超声波。

2．2超声波的物理特性

当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质，称为反射波；另一部分能量透射过分界面，在另一个介质内部继续传播，称为折射波，如图2．1所示，图中L 为入射波，S ₁为反射横波，L ₁为反射纵波，L ₂为折射纵波，S ₂为折射横波。

图2．1超声波的反射、折射及其波形转换

这些物理现象均遵守反射定律、折射定律。除了有纵波的反射波折射波以外，还有横波的反射和折射。

因为声波是借助于传播介质中的质点运动而传播的，其传播方向与其振动方向一致，所以空气中的声波属于纵向振动的弹性机械波。在理想介质中，超声波的波动方程描述方法与电磁波是类似的。描述简谐声波向X 正方向传播的质点位移运动可表示为：

()cos()A A x t kx ω=+ （2.1）

0()ax A x A e -= （2.2）

式中，()A x 为振幅即质点的位移，0A 为常数，ω为角频率，t 为时间，x 为传播距离，2/k πλ=为波数，λ为波长，α为衰减系数。衰减系数与声波所在介质和频率关系：

2af α= （2.3）

式(2．3)中，a 为介质常数，f 为振动频率。

2．2．1超声波的衰减

从理论上讲，超声波衰减主要有三个方面：

(1) 由声速扩展引起的衰减

在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面声波的声速不断扩展增大，因此单位面积上的声压随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减。

(2) 由散射引起的衰减

由于实际材料不可能是绝对均匀的，例如材料中外来杂质金属中的第二相析出、晶粒的任意取向等均会导致整个材料声特性阻抗不均，从而引起声的散射。被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去，最终变成热能，这种衰减称为散射衰减。

(3) 由介质的吸收引起的衰减

超声波在介质中传播时，内于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变成热能。同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，以及由于分子驰豫造成的吸收，这些都是介质的吸收现象，这种衰减称为吸收衰减。

扩散衰减仅取决于波的几何形状而与传播介质的性质无关。对于大多数金属和固体介质来说，通常所说的超声波的衰减，即p(衰减系数)表征的衰减仅包括散射衰减和吸收衰减而不包括扩散衰减。因此，空气介质的衰减系数也由两部分组成，可由下式表示： 22222238211()3v P

f f K C C C C πηπβρρ=++ (2.4) 式中：K ：热传导系数 f ：超声波频率

η：动力粘滞系数 C ：超声波传播速度

v C ：定容比热 p C ：定压比热

ρ：传播介质密度

式(2．4)中第一项是由内摩擦引起的衰减系数，第二项是由热传导引起的衰减系数，由于后者比前者小得多，故在忽略热传导引起的超声波衰减的情况下，衰减系数可以由下式表示：

223

83f C πηβρ= （2.5）

把C = 2.5）可得： 3223

322283()M f R T

β

πηργ=⨯⨯ (2.6) 由式(2．6)可知：温度一定时，η、 ρ、T 均一定，衰减系数与频率的平方成正比；频率越高，衰减的系数就越大，传播的距离也就越短。在实际应用中，一般选30100KHz 的超声波进行距离测量，比较典型的频率为40KHz ，本系统就选用频率f =40KHz 的超声波的传感器。

2．2．2超声波的波型

由于声源在介质中施力的方向与波在介质中传播的方向可以相同也可以不同，这就可产生不同类型的声波，超声波的波型主要有以下几种。

(1)纵波

当介质中的质点振动方向和超声波传播方向相同时，此种超声波为纵波波型，以L 表示。任何介质，当其体积发生交替变化时均产生纵波。由于纵波的产生和接收都较容易，所以纵波在超声波检测中得到了广泛应用。

(2)横波

当介质中质点振动方向和超声波的传播方向垂直时，此种超声波为横波波型，以T表示。因为液体和气体中缺乏横向运动的弹性力，所以横波不能存在，只有纵波才能存在，但在固体中纵波和横波都能存在。

(3)表面波

瑞利于1887年首先研究和证实了表面波的存在，因此称为瑞利波，用字母

R表示。表面波是沿着固体表面传播的具有纵波和横波双重性的波。其振动质

点的轨迹为一椭圆，质点位移的长轴垂直于传播方向，质点位移的短轴平行于

传播方向，随着深度增加很快衰减，离表面一个波长以上的地方，质点振动的

振幅很微弱。表面波的传播速度，只与介质的弹性性质有关，与频率无关。

(4)板波

板波亦称拉姆波，板波只产生在大约一个波长的薄板内，在板的两表面和

中部都有质点的振动，声场遍及整个板的厚度。薄板两表面的质点振动是纵波

和横波成分之和，运动轨迹为椭圆形，长轴于短轴的比例取决于材料的性质。

板波可以分为对称型和非对称型两种。

2．2．3超声波的传播速度

声波的传输需要一种媒质，声波在媒质中的传播速度，称为声速。由声波

产生的物理过程可知，声速与质点速度是完全不同的，声波的传播只是扰动形

式和能量的传递，

并不把在各自平衡位置附近振动的媒质点传走。某种媒质中的声速主要取

决于该媒质的密度和温度。由于空气没有剪切弹性，只有体积弹性，因而气体

中声波的传播形式只能是纵波。也就是说，在声扰动下，气体媒质中的质点在

各自平衡位置附近运动，形成稠密和稀疏依次交替的传递过程，而且质点运动

的方向与声波传播的方向一致。

声波在相当大的频率范围内不随频率发生变化，也就是说超声波的传播速

度与可听声波的传播速度是相同的，超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散

射等传播规律与可听声波并无质的区别，与一般声波相比，超声波具有更好的

定向性，并且可以穿透不透明物质。

在空气中超声波传播速度主要与温度有关，在空气中的传播速度C为：

C=（2.7）

331.4

式中，T为环境温度。

2．3超声波传感器

人们把产生超声波的核心部件称作超声波传感器，也叫超声波换能器，它

是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的装置。

超声波传感器的种类很多，按照实现超声波传感器机电转换的物理效应的

不同可分为电动式、电磁式、磁滞式、压电式等。有些单晶体和多晶陶瓷材料

受到应力能在材料中产生电场，这种效应称为压电效应，这些材料称为压电材料。目前压电式传感器的理论研究和实际应用最为广泛，本文超声波测距选用

的是压电式收发分体超声波传感器T/R40-16，其特性如下：

(1)T/R40-16型号代码

T—发射；R—接受；40一中心频率；16一外壳直径。

(2)T/R40-16结构图