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1、一、 超声波及其基本特性,频率：次声波、声波、超声波、微波,1、超声波,1).次声波,次声波是频率低于16赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，78Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。,振动在弹性介质内的传播称为波动, 简称波,2,3).超声波,蝙蝠能发出和听见超声波。,蝙蝠依靠超声波捕食,2).可闻声波,其频率在162104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波,高于2104 Hz的机械波,4)微波：频率在310831011 Hz之间的波,2、超声波的波型和波速,纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致。（固、液、气）横波：质点的振动方向垂直于波的传播方向。（固
2、） 表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减。（固体表面）,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, 声波的波型也不同。,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。,在固体介质中，纵波、横波、表面波三者的声速分别为,E 杨氏模量； 泊松比；G 剪切弹性模量。,气体中声速为344 m/s, 液体中声速在9001900 m/s。,3、超声波的反射和折射,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, 在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象。,L入射纵波；L1 反射纵波；L2 折射纵波S1 反射横波
3、；S2折射横波。,为了测量各种状态下的物理量, 应多采用纵波。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.,当波速一致时,（2）折射定律,c1入射声波速； c2折射声波速,（1）反射定律,4、声波的衰减,超声波在一种介质中传播时，随着距离的增加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律为,P0、I0 声波在x=0处的声压和声强；P、I 声波在x处的声压和声强； 衰减系数。,应用：工件的厚度、球墨铸铁的球化程度、泥浆 的浓度等。,总结：超声波的特点,超声波是机械波的一种，它的特征是频率高、波长短、绕射现象小。
4、最明显的一个特征是方向性好，能够成为射线而定向传播。超声波在液体、固体中衰减很小，所以穿透能力很强，尤其在对不透明的固体中，超声波能穿透几十米的长度，碰到杂质或分界面就会有显著的反射。这些特性使得超声波检测广泛应用于工业、医学中。,当超声波在一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同 ，在异质界面上将会产生反射、折射、波形转换等现象。,利用超声波的物理特性和各种效应而研制的装置，又称为超声波换能器或探测器,二 超声波传感器,超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、空气传导探头等。,压电式超声波
5、探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，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，从而产生超声波，可作为发射探头；正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。,a） 超声发射器 b）超声接收器 1外壳 2金属丝网罩 3锥形共振盘4压电晶片 5引脚 6阻抗匹配器 7超声波束,空气超声探头,图 超声波传感器工作原理示意图,空气超声探头外形,常用频率范围：0.510MHz，常见晶片直径：530mm,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。,保护膜,接插件,接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质）,接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头
6、）,压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30、45等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波将产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，可产生多次反射，而传播到较远处去。,底部耐磨材料,接插件,各种接触式斜探头,常用频率范围：15MHz,接触法双晶直探头,将两个单晶探头组合装配在同一壳体内，其中一片发射超声波，另一片接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离。双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。,发射晶片,接收晶片,三、 超声波传感器应用,1、超声波物位传感器 超声波物位传感器是
7、利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。如果从发射超声脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对物位进行测量。,图 几种超声物位传感器的结构原理示意图 超声波在液体中传播； 超声波在空气中传播,2、超声波测距,空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以空气的声速（340m/s），就是超声脉冲在被测距离所经历的路程，除以2就得到距离。,3、超声波传感器应用举例（续）,质量检查,紧固件的安装错误检测,叠放高度测量,4、超声波传感器应用
8、举例（续）,5、超声波传感器应用举例（续）,物件放置错误检测,6、超声波传感器应用举例（续）,透明塑料张力控制,机械手定位,7、超声波传感器应用举例（续）,纸卷直径检测,8、超声波传感器应用举例（续）,平整度测量,9、超声波传感器应用举例（续）,超长距离检测,10、超声波传感器应用举例（续）,流水线计数,11、超声波传感器应用举例（续）,12、超声波探伤 是无损探伤技术中的一种主要检测手段。（1）纵波探伤使用直探头。探伤仪面板上有一个荧光屏，通过荧光屏可知工件中是否存在缺陷、缺陷大小及缺陷的位置。如图所示。,图9- 13 超声波探伤 a)无缺陷时反射及显示的波形 b)有缺陷时反射及显示波,a),b),图 横波单探头探伤,（2）横波探伤 多采用斜探头进行探伤。,（3）表面波探伤 如图所示。当超声波的入射角超过一定值后，折射角可达到90 o，这时固体表面受到超声波能量引起的交替变化的表面张力作用，质点在介质表面的平衡位置附近作椭圆轨迹振动，这种振动称为表面波。 当工件表面存在缺陷时，表面波被反射回探头，可以在荧光屏上显示出来。,图 表面波探伤,
