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9.1 超声波及其性质
◆图9-4所示即为超声波在各类介质中的衰减情形, 读者在图中将会发现频率愈低的超声波衰减愈 小。
图9-4 超声波的衰减
9.1.5 超声波的指向性
9.1.5 超声波的指向性
如图9-5所示,使一个半径为R的圆 板波源呈活塞状振动,发射出具有
λ波长的超声波,则其指向角θ可以 表示为sinθ=λ/R。
9.1 超声波及其性质
9.1.1 超声波的频率范围
人听到响声是由于乐器的振动,经过周围 的空气,传送到人耳,振动耳膜,使听觉神经 感受到响声。 ◆音的高低取决于振动数的多少,音的强弱取决 于振幅的大小。一般人耳可听见的声波数范围 为16Hz—20KHz,但此频率范围的界限与音的 强度或个人听觉有关系,所以一般人耳的感音 范围大致可绘成如果9-1所示的关系图。
Siren
振动子
水晶 Rochelle盐
ADP
钛酸钡 锆酸钛酸铅
镍 AF合金 Ferrite
发生周期数K Hz
20—30000 0.2—1000 0.2—1000
介质
气体,液体, 固体
液体,固体 液体,固体
10—10000 液体,固体
10-100
气体,液体, 固体
5—50 2—100 0.2—250
9.1.2超声波的种类
◆超声波的发射方式不同,造成了超声波种类的不同,大致上可

为五类,如图所示,图(a)的纵波
(Longitudinal Wave)又称压缩波
(Compression Wave),介质粒子的振
动与波的进行方向一致,专供强力超
声波的运用。
图(b)为纵波,比起图(a)的纵波,波速 慢了许多,主要是因为此类纵波是在 直径较小的棒中传输。
率也就越大。超声波射入交界面除了部分反射
外,其余的全部穿透过去,而超声波的穿透率
T可以用下式表示:
2
T
1
2
1
Z2 Z2
Z1 Z1
4Z1Z2 Z2 Z1
2
9.1 超声波及其性质
◆书中表9-2所示为各种介质的反射率。图9-7 所示为在不同
介质间设厚度为L的其它介质,传播超声波时,若将遮断
超声波,此时的透射率T1 为:
第9章 超声波传感器
1 9.1 超声波及其性质 2 9.2 超声波发生法与振动因子的设计 3 9.3 超声波传感器的结构 4 9.4 超声波传感器的基本电路 5 9.5 超声波传感器的应用
概述
超声技术是一门以物理、电子、机械及材 料学为基础的、各行各业都要使用的通用技术 之一。 ◆我国对超声波技术及其传感器的研究十分活跃, 目前超声波技术已广泛应用于冶金、船舶、机 械、医疗等各个工业部门的超声清洗、超声焊 接、超声加工、超声检测和超声医疗等方面。
T1
Z1
Z3
2
cos2
KL
4Z1Z3 Z2
Z1Z3
Z2
2
sin2
KL
图9-7 不同媒质间的反射与透射
9.1 超声波及其性质
• 若邻接中间介质的左右介质相同,即Z1=Z2 时,
则T1 可简化为:
4
T1
4 cos2
KL
Z2
Z1
Z1
Z2
2
sin2
KL
• 式中K=2πf/C2,Z1=ρ1C1,Z2=ρ2C2,Z3=ρ3C3,f 为超声波的频率。
纵波速度 ×105cm/sec
6.22 5.81 5.6 4.33 4.62 4.43 2.13 1.46 4.9~5.9 2.67 2.59 1.43 1.39 0.331
密度 ρg/cm3
2.65 7.8 8.9 1.74 8.93 8.5 11.4 13.6 2.5~5.9 1.1 1.4 1.00 0.92 0.0012
图9-9 空洞的发生
9.1 超声波及其性质
9.1.8 ◆声波在介质中传播时, 随着传播距离的增加, 能
量逐渐衰减。
Px P0e x I x I0e2 x
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/m(奈培/米)。
9.1 超声波及其性质
×104 cm/s,在水中为1.4×105 cm/s,铝中为 6.
22×10 5cm/sec,如果发射一个超声波的频率为
40KHz,则可利用C = f×λ求出,超声波在空
气中,水中及铝中的波长λ为:
●空气中:
3.4 104 4 104
0.86cm
●水中: ●铝中:
1.4 105 4 104
3.5cm
9.2.3 磁伸缩式振动因子
图9-12 各种形态的磁伸缩
9.2.3 磁伸缩式振动因子
表9-6 磁伸缩材料的特性比较
名称
成分
导磁系数 固有电阻(Ω∙cm) 电气机械结合系数
(%) 密谋(g/cm3) 波速(m/sec) 静磁伸缩饱和应变 最适偏移磁场(Oer) 耐蚀性(海水中)
纯镍
Ni 98%以上
强度,由这两个交界介质的特性阻抗Z 决定。
◆所谓特性阻抗即为介质的密度(ρ)与音速(C)
的乘积。假设现在将超声波垂直地射入固有特性
阻抗不同的交界面时,如图9-6,则音波的反射率γ
可用下式表示:
Z2 Z2
Z1 Z1
9.1 超声波及其性质
图9-6 超声波的反射与透射
◆由上式可知两种介质的特性阻抗差越大,反射
9.1 超声波及其性质
◆由上式可推论得知,越增大穿透率T1,可以使
中间层Z2尽量接近Z1,而且用薄板(使L愈小
愈好),或厚度为超声波半波长的整数倍的板。
若按此要领设计则穿透率T1变成:
T1
Z2
4
Z1
Z1
Z2
2
1
9.1 超声波及其性质
◆如图9-8,如果超声波斜着射入固有特性阻抗不同
的交界面时,超声波会发生折射,令入射角为θi, 折射角为θt,C1为入射前的波速,C2为折射后的波
9.1 超声波及其性质
◆超声波的声波数下限当然也不易决定,通常将20K Hz以上的音波称为超声波(Ultrasonic wave)。但是 听到、听不到只是人耳的感觉问题,有时为了配合 使用,也将频 率降至10KHz, 但有时也可能 将频率升到 1000MHz。
图9-1 人耳感音频率范围
9.1 超声波及其性质
9.2.3 磁伸缩式振动因子
9.2.3磁伸缩式振动 ◆因子将镍等强磁性体做成棒状,置于磁场中磁化,
其长度会沿磁化方向发生变化,此即磁伸缩现象。 磁伸缩现象依金属材质的不同,较常用的材质有 镍、alufer合金(AF 合金、AL12%、Fe88%)、fe rrite烧结金属,其磁伸缩率各不相同,图9-12所示 为各种形状的磁伸缩式振动因子,表9-6为其材料 特性。
9.1 超声波及其性质
9.1.3超声波的波速与波长
◆超声波的波速C、波长λ、频率f之间有下列关系: C = f×λ
◆表9-1为超声波在各种介质中的波速,图9-3所示为 超声波在空气、水、金属中的波长与周期波数的关 系,图中以实线和虚线区分超声波的使用范围。
9.1 超声波及其性质
介质
铝 钢 镍 镁 铜 黄铜 铅 水银 玻璃 聚乙烯 电木 水 变压器油 空气
9.1 超声波及其性质
图(c)为横波(Transverse Wave)又称剪 断波(Shear Wave,S波)介质粒子的 振动与垂直波的进行方向一致,常用于
超声波探勘计等的计测。 图(d)为表面波(Surface Wave)又称 Rayleigh 。 图(e)为弯曲波(Flexural Wave, Bending Wave),在沿波进行方向的 中心线上介质粒子进行横振动,接近介质表面的 粒子进行压缩、伸张运动。
40 7×10-6
20—30
8.9 4800 -40×10-6 10—15

机械强度(kg/cm3)
* 2×10-6
Alufer Fe 87%,Al 13%
合金 190 91×10-6
Ferrite Ni—Cu系Ferri
te 20
9.1 超声波及其性质
9.1.9超声波的干涉 ◆如果在一种介质中传播几个声波,于是会产生波的干
涉现象。由不同波源发出的频率相同、振动方向相同、 相位相同或相位差恒定的两个波在空间相遇时,某些 点振动始终加强,某些点振动始终减弱或消失,这种 现象称为干涉现象。 ◆两个振幅相同的相干波在同一直线上彼此相向传播时 叠加而成的波称为驻波。每相距λ/2的这些点上,介质 保持静止状态,这些点称为节点,节点之间对应介质 位移最大的点称为波腹。
图9-10 压电材料的结晶形态
9.2.1 压电式振动因子
◆表9-4所示为各结晶体的切削角度及其它电气特性。
材料
表9-4 压电材料常数
CUT
振动 样式
电介质 常数ε
(e∙s∙u)
密度ρ (g/cm3)
周波长 常数N
压电伸缩常数
(KHz∙cm )
(mks)
电气 机械 结合 系数
(%)
水晶
× 厚度 2.5
6.22 105 4 104
15.55cm
9.1 超声波及其性质
9.1.4超声波的损失 ◆理想情况下,超声波发射出去后,会一边扩大,一
边直线前进,只要介质没有吸收超声波的性质,超 声波的强度不论传到任何地方都不会减弱。 ◆不过实际上超声波的强度随着距离的增加而逐渐减 弱,其原因有二:一是随着距离的增加波面会扩大, 从而造成扩散损失,另外一方面,超声波会被传播 介质吸收及散射,从而造成波动能量的损失。一般 称为吸收损失,也称衰减。
9.2 超声波发生法与振动因子的设计
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