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1、第三章 超声波检测技术绪言 发展迅速、应用广泛; 超声波检测已成为检测技术领域重要分支; 对于固体和液体良好的穿透性:决定了它的特 殊 地位,如海洋探测、固体内部探测; 无创性:可应用到无损探伤、医疗诊断; 非接触性:测速、测距、测温超声检测有其独特和不可替代地位,也有着广泛的发展应用前景,第三章 超声波检测 3.1 超声波及其物理性质 3.2 超声波传感器 3.3 超声波传感器应用,3.1 超声波及其物理性质,3.1 超声波及其物理性质 振动在弹性介质内的传播称为波动,简称波。 声波: 频率在162104 Hz之间,能为人耳所闻的机械波;次声波:低于16 Hz的机械波;超声波:高于2104
2、Hz的机械波;微波: 310831011 Hz之间的波。,图3-1 声波的频率界限图,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。,3.1.1 超声波的波型及其传播速度 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。通常有: 纵波:质点振动方向与波的传播方向一致的波,它能在固体、液体和气体介质中传播; 横波:质点振动方向垂直于传播方向的波,它只能在固体介质中传播; 表面波(瑞利波):质点的振动介于横波与纵波之间(椭圆),沿着介质表面传播,其振幅随深度增加而迅速衰减,表面波只在固体的表面传播。 板波(兰母波
3、) :质点的振动轨迹椭圆,只存在于仅1波长厚的板中,板的上下表面都有质点的振动. 不同波形传播速度不同.,E:弹性模量,:泊松比,:密度,3.1.2 超声波的反射和折射 声波从一种介质传播到另一种介质, 在两个介质的分界面上一部分声波被反射, 另一部分透射过界面,在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射,如图5-2所示。,图5-2 超声波的反射和折射,反射定律: 入射角的正弦与反射角的正弦之比等于波速之比。 折射定律:入射角的正弦与折射角的正弦之比,等于入射波在第一介质中的波速c1与折射波在第二介质中的波速c2之比,即,声波的反射系数和透射系数:可分别由如下两式求得:,Z
4、=C.声阻抗 ( z=p/v),式中:I0, Ir, It分别为入射波、反射波、透射波的声强; 、分别为声波的入射角和折射角; 1c1、2c2分别为两介质的声阻抗,其中c1和c2分别为反射波和折射波的速度。,当超声波垂直入射界面,即=0时,则,由上述各式可知, 若2c21c1,则反射系数R0,透射系数T1,此时声波几乎没有反射,全部从第一介质透射入第二介质; 若2c21c1, 或1c1 2c2时,反射系数R1,则声波在界面上几乎全反射, T0,透射极少。 如:在20水温时,水的特性阻抗为1c1 =1.48106kg/(m2s), 空气的特性阻抗为2c2= 0.000 429106 kg/(m2
5、s), 1c1 2c2, 故超声波从水介质中传播至水气界面时, 将发生全反射。(T约0.17%),3.1.3 超声波的衰减 声波在介质中传播时,随着传播距离的增加,能量逐渐衰减,其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为,式中:Px、Ix距声源x处的声压和声强; x声波与声源间的距离; 衰减系数,单位为Np/cm(奈培/厘米)。,声波能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收 扩散: 即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射:衰减是指超声波在介质中传播时,固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射,其中一部分声能不再沿原来传播方向运动,而形成散射。散射
6、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。吸收:是由于介质粘滞性,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。,3.1.4 超声波的分辨率与指向性,距离向分辨率:是测距时所能分辨的最小距离。 主要取决与超声波的频率。 分辨率 提高频率可提高分辨率。指向性(方位向分辨率):能分辨的两物体间的最小间距 对应的波束角。 指向性与换能器的孔径及波长密切相关。 圆形活塞的指向性:近场特性: 当 为远场,3.2 超声波传感器,超声波传感器: 用于产生和接收超声波的装置。 又可称为:超声波换能器、探测器 超声波探头按工
7、作原理可分为: 压电式、磁致伸缩式、电磁式等 压电式最为常用。 常用的材料是石英晶体和压电陶瓷 工作原理: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。正压电效应:将超声振动波转换成电信号,可作为接收探头。按传播介质可分为:气介式、液介式、固介式,气介式超声波换能器,弯曲振动式: 夹心式: 复合振动型:,超声波探头结构如图3-2所示,它主要由压电晶片、吸收块(阻尼块)、保护膜、引线等组成。,图3-2 压电式超声波传感器结构,液(固)介式超声波探头,3.3 超声波传感器应用,3.3.1 超声波物位测量 利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性。由换能器发射超声脉冲,遇到界面被反射回
8、来,测量出超声波来回时间,就可以求出分界面的位置,实现物位进行测量。根据发射和接收换能器的功能,传感器又可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波使用同一个换能器,而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。,图3-3给出了几种超声物位传感器的结构示意图。,图3-3几种超声物位传感器的结构原理示意图 (a) 超声波在液体中传播; (b) 超声波在空气中传播,对于单换能器来说, 超声波从发射器到液面, 又从液面反射到换能器的时间为t:,式中:h换能器距液面的距离; c超声波在介质中传播的速度。关键是声速的校正 : 测温修正 标准距离修正,从以上公式中可以看出,只要测得超声波脉
9、冲从发射到接收的时间间隔,便可以求得待测的物位。 超声物位传感器具有精度高和使用寿命长的特点,但若液体中有气泡或液面发生波动,便会产生较大的误差。在一般使用条件下, 它的测量误差为0.1%,检测物位的范围为10-2104m。,3.3.2 超声波流量测量 超声波流量传感器的测定方法是多样的, 如传播速度变化法、波速移动法、多卜勒效应法等。但目前应用较广的主要是超声波传播时间差法。 超声波在流体中传播时,在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的,利用这一特点可以求出流体的速度,再根据管道流体的截面积, 便可知道流体的流量。,原理:在流体中设置两个超声波传感器,它们既可以发射超声波又可以接收超声波,
10、一个装在上游,一个装在下游,其距离为L, 如图所示。如设顺流方向的传播时间为t1,逆流方向的传播时间为t2,流体静止时的超声波传播速度为c,流体流动速度为v,则,一般来说,流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度, 因此超声波传播时间差为,由于cv, 从上式便可得到流体的流速, 即,图5-6 超声波传感器安装位置,管道流量计的安装方式,此时超声波的传输时间将由下式确定:,特点与应用 超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点,可测的流体种类很多,不论是非导电的流体、 高粘度的流体,还是浆状流体, 只要能传输超声波的流体都可以进行测量。 超声波流量计可用来对自来水、工业用水、 农业用水等进行测量。
11、 还适用于下水道、 农业灌渠、河流等流速的测量。,3.3.3超声多谱勒流速流向测量,原理:超声波作用在水流中粒子上产生反射,由于相对声波的传播方向有相对运动,故产生多谱勒差频.二维、三维流速测量:,3.3.4温度测量,1、超声细线式温度计2、超声水温测量,3.3.5河床地形测量,1、回声仪2、模型河床地形测量,5.3.4温度测量,3.3.6超声探伤,1、反射法2、传导法,3.3.6医疗诊断,1、A超 采用反射回波原理2、B超成像 探头:线阵,64阵元、阵元等成像原理:若干阵元构成一个子阵,通过发射聚焦和接收聚焦,形成方向性很好的声束,改变子阵组合,形成多根精细的声束,逐根扫描,从而获得一幅完整的刨面图象。3、多谱勒血流成像测量,3.3.合成孔径成像,