次声波
声波
超声波
微波
音乐 语言
0.25 10探6 测 20106
101 102 103 104 105 106
107 Hz
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。
8.1.1 波形及其转换
1.超声波波形 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
2）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。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、介质的性质 和散射粒子的性质有关。
3）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。
390k
- R2
A1
LM660
C3 39k 100pF R3
390k
- R4
A2
LM660
100k R5
100k R6
- VD1
A3
LM660
1.6k
VD2
R7
0.01 F
100K
CR58
1M
R9
-
A4
LM660
Uo
5V
R10
10k
RP R12
10k 10k
电路由成运算放大器LMC660构成，接收超声波传感器由 MA40A5R构成。
E1
G1
c横
2(1 )
2 c纵波
c表面 0.9
G
0.9c横
E — 杨氏模量
— 泊松比；
G —剪切弹性模量。
超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。
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。
电信号
振动 压电陶瓷
超声波传感器振子是超声波传感器的核心器件，它是由一片金 属片和一个压电陶瓷粘合在一起。若在超声波振子上加上交流电压 ，则使振子产生振动而发射超声波信号，同样，若在振子上加上超 声波，则在超声波振子上也会产生交流电信号。
超声波振子等效电路和阻抗特性如图8-5所示
XL
L
Co
C
R
感性
3.3 pF
3.3 pF
1k
V T1
0.1F
0.1F
1 C1
0.1F
V 2
3 C1 4 C2
V 6
0.1F
ADM3202AN
5 C2 10
T2 IN
11 T1IN
0.1F
&
T2OUT 7
&
T1OUT
14
5V
HA40ASS
图中74HC4060与晶振构成超声波产生电路，振荡频率为 5.12MHz，经内部分频电路使输出端 QC 输出40KHz的信号。
5V 100
47 F
C2
MA40ASR
10k R2 1000pF R1
3.3k
C1
10k
C3
R3
RP
300k
-A
NJM4580
10 F
0.1F
0.1F
C4 VD1
C6
R4 10k
LED R6
R7 1k
VD2
4.7k
R5
C5
1F
Uo VT
MA40ASR为超声波传感器，将超声波信号转换成电信号，由 运算放大器A进行交流放大，放大后的信号输入到由 VD1 VD2 C5 组成的检波平滑电路，输出信号加到三极管 VT 进行放大驱动。
T1OUT
T2OUT R1IN R 2IN
EIA / TIA 232 OUTPUTS
EIA / TIA 232 INPUTS
8.2.4 超声波信号接收电路
1.由LMC660构成的超声波接收电路
LMC660构成的超声波接收电路如图8-12所示
C2
10pF C4
MA40ASR
100pF R1 C1 39k
设定比较电平。
当接收到的信号非常微弱时，可采用多级放大器，至于选用放 大器的级数，可根据放大器的噪声来决定，如果放大器的倍数过高， 在无信号时容易拾取噪声，要根据实际需要选择放大器的级数，一 般采用3~4级放大器。半波检波电路可以拾取40KHz的信号。
2.由NJM4580构成的超声波接收电路 NJM4580构成的超声波接收电路如图8-13所示。
8.2.2 超声波传感器系统的构成
超声波传感器由超声波探头、超声波信号发射电路、超声波信 号接收电路和控制部分组成。
超声波传感器系统的构成如图8-6所示
被
发射
检
测
物
接收
探头
放大电路
信号形成电路
收发信号切换电路
振荡器
控制电路
放大电路
检Байду номын сангаас电路
信号输出电路
8.2.3 超声波探头
以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成 这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者 超声探头。
fS
容性
fP
XC
a）压电振子
（b）等效电路
（c）阻抗特性
图中 fS
为串联谐振频率，
fS
2
1 LC
fP 为并联谐振频率
fP 2
1 LCC0
C C0
超声波传感器有发送探头和接收探头，由于压电效应具有双向 效应，故超声波探头既可以做成发射传感器，也可以把接收探头或 两种探头做在一起成为双向超声波传感器。因此，超声波传感器有 专用发射型超声波传感器、专用接收型超声波传感器和兼用型（接 收和发送）超声波传感器。
当电路控制端 CLR 接低电平信号时，产生振荡信号，当接高 电平时，振荡器停止震荡。
ADM3202AN构成升压电路，将5V电源电压变为峰峰值位20V的 驱动电压，可以提高超声波信号的输出。
ADM3202AN内部电路如图8-11所示。
0.1F 10V
CMOS
T1IN
INPUTS
T2IN
CMOS
OUTPUTS
声波的波形也不同，通常有三种形式： 1）纵波
质点振动方向与传播方向一致的波为纵波。
它能在固体、液体或气体中传播； 2）横波
质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波， 横波只能在固体中传播；
3）表面波
是质点振动介于纵波和横波之间，沿着固体表面传播，振幅随 深度增加而迅速衰减的波为表面波。
工业应用中主要采用纵波。
超声波传感器
利用波动现象 — 辐射测量 利用振动测量 — 谐振频率变化
有源传感器
利用波动测量 — 多普勒效应 利用频谱测量 — 厚度计 利用振幅衰减 — 粘度计
8.2.1 超声波传感器的工作原理
超声波传感器是利用压电效应原理制成的压电振子来实现的。 如图8-4所示，为压电振子工作原理图。
超声波信号 金属片
采用施密特触发器构成的超声波发射电路如图8-9所示。
R
RP
74HC14
2.2K 1K
Q2
Q5
C1
Q1
0.01F
Q3
Q6 C2
Q4
0.1F
MA40S4S
电路采用施密特触发器（74HC14）构成超声波发射电路。
超声波传感器采用MA40S4S。
Q1 C1 R RP 构成振荡电路，振荡频率
f0
1 C1(R
若检测到超声波信号，则 VT 导通，Uo 输出低电平。同时，使
LED导通且发光，表示接收到超声波信号。
3.由MA40B7构成的超声波收发电路 MA40B7构成的超声波收发电路如图8-14所示。
MA 40 B 7
VD1
Q1 &
&
VD2
Q2
12V 0.01 F
C1
2．波形转换
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、折射以外，还发生横波的反射和折射，在某种情况下， 还能产生表面波。
各种波形都符合反射及折射定律。
3. 传播速度
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。
声速
弹性率 密度
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 有纵波的传播，其传播速度为
A1 A2 组成二级电压放大器，放大器采用选频放大器， C1 R1 C2 R2 组成第一级选频网络， C3 R3 C4 R4 组成第二级选频网络， 选频频率为 f0 40kHz 放大增益为5倍。
A3 构成半波检波电路。 R7 C5 R8 组成滤波电路。 A4 构成施密特触发器比较器电路，由 RP
8.1.2 超声波的传输与衰减
超声波在两种介质中传播时，在它们的界面上，一部分能量反 射回原介质，称为反射波；
另一部分能量透射界面，在另一介质内继续传播，称为折射波。
超声波的反射与折射如图8-2所示
介质1 介质2
1．反射定律
对于反射波，当入射波和反射波的波形相同、波速相等时，入 射角 等于反射角
超声波探头，按其结构可分为直探头、斜探头、双探头和液浸 探头。超声波探头按其工作原理又可分为压电式、磁致伸缩式、电 磁式等。在实际使用中，压电式探头最为常见。
压电式探头主要由压电晶体、吸收块(阻尼块)、保护膜等组 成。
其示意图如图8-7所示。
导电螺杆
金属壳
吸收块 保护膜
接线片
晶片
超声波探头的结构图如图8-8所示
屏蔽栅