根据其结构不同，超声波探头又分为直探头、斜探头、 双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、 空气传导探头以及其他专用探头等，如图9-6所示。
图9-6 超声波探头结构示意图 a）单晶直探头 b） 双晶直探头 c）斜探头 1—接插件 2—外壳 3—阻尼吸收块 4—引线 5—压电晶体 6—保护膜 7—隔离层 8—延迟块 9—有机玻璃斜锲块 10—试件 11—耦合剂
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ρ和声速c的乘积，即
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900m/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 %。
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，称 为反射波，另一部分透射过界面，在另一种介 质内部继续传播，则称为折射波。这两种情况 分别称之为声波的反射和折射，如图9-3所示。
（1）反射定律 入射角α的正弦与反射角α＇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α等于反射角α＇。 （2）折射定律 入射角α的正弦与折射角β的正弦之比等于超声波在 入c2之射比波，所即处介质的波速c1与在折射波中介质的波速
9.1.3超声波探头
超声波传感器是实现声、电转换的装置，又称 超声换能器或超声波探头。按作用原理不同， 超声波传感器有压电式、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。
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、
不同的铁磁物质其情况不相同。镍的磁致伸缩 效应最大，它在一切磁场中都是缩短的。如果 先加一定的直流磁场，再加以交流电时，它可 工作在特性最好的区域。 磁致伸缩超声波发生器是把铁磁材料置于交变 磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化，即机 械振动，从而产生超声波。 磁致伸缩超声波发生器是用厚度为0.1~0.4mm 的镍片叠制而成。片间绝缘以减少涡流损耗。
能听见声音的频率为20Hz~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 100Hz~8kHz。
Hale Waihona Puke 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、折射和波形转换等现象。声源在介质中施力方 向与波在介质中传播方向的不同，造成声波的波形 也不同。一般有以下几种：
1．压电式超声波发生器 压电式超声波发生器是利用压电晶体的电致伸缩效应制成的。
常用的压电元件为石英晶体、压电陶瓷等。在压电元件上施加 交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波。如图9-4所 示。
2.磁致伸缩超声波发生器 铁磁性物质在交变的磁场中，顺着磁场方向产
生伸缩的现象，叫做磁致伸缩效应。 磁致伸缩效应的大小，即伸长缩短的程度，
（3） 超声波的衰减 超声波在介质中传播时因被吸收而衰减，气体吸收最强而 衰减最大，液体次之，固体吸收最小而衰减最小，因此对 于给定强度的声波，在气体中的传播距离会明显比在液体 和固体中传播的距离短。
9.1.2 超声波的发生与接收
超声波是由超声波发生器产生的，其结构分为两部分：一部分 为产生高频电流或电压的电源；另一部分为换能器，它的作用 是将电磁振荡变换为机械振荡而产生超声波。
3.超声波的接收 在超声波技术中，除需要能产生一定频率及强度的超声
波发生器以外，还需要能接收超声波的接收器。一般的 超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应而进行工作 的。 当超声波作用于压电晶片时，晶片产生正压电效应而产 生交变电荷，经电压放大器或电荷放大器放大，最后记 录或显示结果：其结构和超声波发生器基本相同，有时 就用同一个超声波发生器兼做超声波接收器。 磁致伸缩超声波接收器是利用磁致伸缩的逆效应而制成 的。当超声波作用于磁致伸缩材料时，使材料伸缩，引 起它的内部磁场（即导磁特性）的变化。根据电磁感应 原理，磁致伸缩材料上所绕线圈产生感应电动势，将此 电动势送至测量电路并记录显示，可得测量结果。它的 结构也与发生器差不多。
第 9 章 波式和辐射式传感器
9.1 超声波传感器
超声波传感器是将声信号转换成电信号的声电转换装置， 又称为超声波换能器或超声波探头，它是利用超声波产 生、传播及接收的物理特性工作的。超声波传感器在医 疗中的应用已经家喻户晓，此外，还广泛应用于超声清 洗、超声加工、超声检测等多个方面。
9.1.1 超声波的物理基础 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
（2）波长 超声波的波长λ与频率ƒ乘积恒等于声速c，即

（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9-2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
3.超声波的反射和折射
1.单晶直探头 用于固体介质的单晶直探头（俗称直探头）的结构