课题9 超声波传感器及其应用（课件）- 《传感器与检测技术应用》同步教学（北京理工大学版）

2024-01-05

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课题9 超声波传感器及其应用任务1 认识超声波及其物理性质任务2 超声波探头及藕合技术任务3 超声波传感器的应用任务4 超声波知识扩展任务5 超声波传感器项目实训—超声波遥控电灯开关返回任务1 认识超声波及其物理性质 1.超声波的概念和波形机械振动在弹性介质内的传播称为波动，简称为波。人能听见声音的频率为20 Hz~20 kHz ,即为声波，超出此频率范围的声音，20 Hz以下的声音称为次声波，20 kHz以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为100 Hz~8 kHz。声波频率的界限划分如图9-2所示。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，为此，利用超声波的这种性质就可制成超声波传感器。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，超声波的传播波形也不同，通常有以下三种类型: 下一页返回任务1 认识超声波及其物理性质 (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; (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，多采用纵波。 2.声速、波长与指向性 (1)声速纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性系数、介质的密度以及声阻抗。这里，声阻抗是描述介质传播声波特性的一个物理量。介质的声阻抗Z等于介质的密度P和声速。的乘积，即上一页下一页返回任务1 认识超声波及其物理性质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344 m/s，液体中的声速900 m/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半。表面波声速约为横波声速的90 %。常用材料的密度、声阻抗与声速如表9-1所示。 (2)波长超声波的波长λ与频率ƒ乘积恒等于声速c，即上一页下一页返回任务1 认识超声波及其物理性质 (3)指向性超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐向外扩散，如图9-3所示。在声束横截面的中心轴线上，超声波最强，且随着扩散角度的增大而减小。指向角θ与超声源的直径D以及波长λ之间的关系为设超声源的直径D = 20 mm，射入钢板的超声波(纵波)频率为5 MHz，则根据式(9-3)可得θ =4°，可见该超声波的指向性是十分尖锐的。上一页下一页返回任务1 认识超声波及其物理性质 3.超声波的反射和折射超声波从一种介质传播到另一介质，在两个介质的分界面上一部分能量被反射回原介质，叫做反射波，另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播，则叫做折射波。这两种情况分别称之为声波的反射和折射，如图9 -4所示。当纵波以某一角度入射到第二种介质(固体)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。各种波形都符合反射及折射定律。上一页下一页返回任务1 认识超声波及其物理性质 (1)反射定律入射角a的正弦与反射角a‘的正弦之比等于波速之比。当入射波和反射波的波形相同、波速相等时，入射角a等于反射角a’。 (2)折射定律入射角a的正弦与折射角β的正弦之比等于超声波在入射波所处介质的波速c1与在折射波中介质的波速c2之比，即上一页下一页返回任务1 认识超声波及其物理性质 4.超声波的衰减超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与超声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律如下式中，Px、 Ix为距声源x处超声波的声压和声强;P0、I0为x = 0处超声波的声压和声强;a为衰减系数;x为声波与声源间的距离。上一页下一页返回任务1 认识超声波及其物理性质超声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收，在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波散射。吸收衰减是由介质的导热性、黍占滞性及弹性滞后造成的，介质吸收声能并转换为热能。上一页返回任务2 超声波探头及藕合技术 9. 2. 1超声波探头超声波探头的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等方式。在检测技术中主要采用压电式。超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头。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，以产生超声波，可作为发射探头。而利用压电效应则将接收的超声波振动转换成电信号，可作为接收探头。由于其结构不同，超声波探头

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