横波
第十章 辐射式传感器
超声波的基本性质
③表面波。质点振动介于纵波和横波之间， 如图所示。沿着固体表面传播，振幅随深度增加 而迅速衰减，实际上在距表面一个波长以上的地 方，振动己近消失。
工业应用中主要采用纵波。
第十章 辐射式传感器
表面波
第十章 辐射式传感器
各种超声波探头
（以下参考常州市常超检测设备有限公司资料）
压电材料的固有频率与晶体片厚度d有关， 即 f n c
2d
压电片
厚度 d
式中，n=1，2，3，…是谐波的级数；c为波
在压电材料里的传播速度(纵波)；
u
c
E

式中，E为杨氏模量；为压电材料的密度。
超声波
图9.图31.01.1 压压电电式式超超声声波传波感传器感器
第十章 辐射式传感器
对于石英晶体：E=7.70 1010 N/m2 ， 2654 kg/m3 ，对于锆钛酸铅： E=8.300 1010 N/m2 7400 kg/m 3
压电片
u
超声波
图9.图31.01.1 压压电电式式超超声声波传波感传器感器
厚度 d
第十章 辐射式传感器
第10章 超声波传感器
10.1.1 超声波的发生
压电式超声波发生器就是利用压电晶体的电致伸缩现象制成的。常用 的压电材料为石英晶体、压电陶瓷锆钛酸铅等。在压电材料切片上施加 交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波，如图10.1所示。
超声波塑料 焊接机
第十章 辐射式传感器
超声波金 丝焊接机
第十章 辐射式传感器
超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介质 的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象 类似于光波。
便携式超声波 探鱼器
第十章 辐射式传感器
超声波在医学 检查中的应用
胎儿的 B超影像
第十章 辐射式传感器
超声波的基本性质
因此，压电材料的固有频率为 f n E
2d 根据共振原理，当外加交变电压频率等于晶片的固有频率时，产生共 振，这时产生的超声波最强。压电式超声波发生器可以产生几十kHz到几 十MHz的高频超声波，产生的声强可达几十W／cm2。
压电片
u
超声波
图9.图3.101.1 压压电电式式超超声声波波传传感器感器
2.传播速度
超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关。 介质的弹性性能越好，密度越小，则介质的声速越 大。
由于液体和气体的剪切弹性模量几乎为零，所以 超声波在液体和气体中没有横波。
第十章 辐射式传感器
超声波的基本性质
气体中的声速为344m/s、液体中声速在 900~1900m/s；
在固体中纵波、横波、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的一半， 表面波约为横波声速的90%。
常用频率范围：0.5~10MHz， 常见晶片直径：5~30mm
接触式直探头 （纵波垂直入 射到被检介质）
保护膜
外壳用金属 制作，保护膜用 硬度很高的耐磨 材料制作，防止 压电晶片磨损。
接插件
第十章 辐射式传感器
超声波的基本性质
（2）波型转换 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。各种波型都符合反射及折射定律。
1.波型及其转换 （1）波型 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，超声波的波型也不 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，它只能在固体中传播。
第十章 辐射式传感器
纵 波
第十章 辐射式传感器
厚度 d
第十章 辐射式传感器
超声波
蝙蝠能发 出和听见 超声波。
第十章 辐射式传感器ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
蝙蝠依靠超声波捕食
第十章 辐射式传感器
超声波与可闻声波不 同，它可以被聚焦， 具有能量集中的特点。
超声波加湿器
超声波雾化器
第十章 辐射式传感器
压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下， 可得到较大功率的超声波，可以被聚焦，能用于集成 电路及塑料的焊接。
~
图10.2磁致伸缩超声波发生器
d
图9.3.2 磁致伸缩超声波发生器
第十章 辐射式传感器
10.1.3 超声波的接收
在超声波技术中，除了需要能产生一定的频率和强度的超声波发 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。
当超声波作用到压电晶体片上时，使晶片伸缩，则在晶片的两个 界面上产生交变电荷。这种电荷先被转换成电压，经过放大后送到 测量电路，最后记录或显示出结果。它的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。
超声波发生器的机械振动固有频率的表达式与压 电式的相同，即 f n E
2d
如果振动器是自由的，则n=l，2，3，…， 如 果 致振伸动缩器超的声中波间发部生分器固的~ 定材，料则，除n=镍1，外3，，还5，有…铁。钻磁 钒合金(铁49%，钴49%，钒2%)和含锌、镍的铁氧 体。
d
~
~
d
图9.3.2 磁致伸缩
第十章 辐射式传感器
第10章 超声波传感器 10.1 超声波传感器
超声波传感器是利用超声波的特性，实现自动检测的测量元件。声波 是一种机械波。声的发生是由于发声体的机械振动，引起周围弹性介质 中质点的振动由近及远的传播，这就是声波。人耳所能听闻的声波其频 率在20～20000Hz之间，频率在20～20000Hz以外的声波不能引起声音 的感觉。频率超过20000Hz的叫做超声波，频率低于20Hz的叫做次声波。 超声波的频率可以高达911Hz，而次声波的频率可以低达9-8Hz。
在钢材中（纵波）声速约5000m/s。
第十章 辐射式传感器
10.1.2 磁致伸缩超声波发生器
磁致伸缩效应的大小，即伸长缩短的程度，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的镍片叠加而成的，片间绝缘以减少 涡流电流损失。其结构形状有矩形、窗形等，如图 10.2所示。