超声波传感器课件.pptx
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1、纵波:纵波:质点的振动方向与波的传播方向一致。(固、液、质点的振动方向与波的传播方向一致。(固、液、气)气)横波:横波:质点的振动方向垂直于波的传播方向。(固)质点的振动方向垂直于波的传播方向。(固)表面波:表面波:质点的振动介于纵波和横波之间,沿着表面传播,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)振幅随深度增加而迅速衰减。(固体表面)超声波的传播速度超声波的传播速度 取决于介质的弹性常数及介质的密度,与自身频率无关。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在固体介质中,纵波、横波、表面波三者的
2、声速分别为E 杨氏模量;泊松比;G 剪切弹性模量。在在气气体体和和液液体体中中,由由于于不不存存在在剪剪切切应应力力仅仅有有纵纵波波的的传传播播,其传播速度其传播速度c为为 介质的密度;Bn绝对压缩系数。纵波纵波横波横波表面波表面波 超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。以水为例,当蒸馏水温度在074时,声速随温度的升高而增加,在74时达到最大值,大于74后,声速随温度的增加而减小。此外,水质、压强等也会引起声速的变化。在固体中,纵波、横波及表面波三者的声速间有一定的关系:通常可认为横波声速为纵波的一半,表面波声速为横波声速横波声速为纵波的一半,表面波声速为横波声速的的90%90%。气体中
3、纵波声速为344m/s,液体中纵波声速为9001900m/s。地震发生后,能量通过波的形式传递,主要体现在纵波(P波)和横波(S波)上。P波的传递速度快,达到每秒6公里左右,可通过固体、液体和空气介质传递,而横波的传递速度慢一些,大约在每秒3.5公里,主要通过固体介质传递,两者属于体波的范畴。与体波相对应的是表面波,面波沿着地表传播,因此从破坏力上看,表面波的威胁最大,其次是横波和纵波。表表10-1 0100范围内蒸馏水声速随温度的变化范围内蒸馏水声速随温度的变化 表表10-1 0100范围内蒸馏水声速随温度的变化范围内蒸馏水声速随温度的变化 超声波的反射和折射超声波的反射和折射当波速一致时入
4、射波入射波 界面界面介质介质1介质介质2反射波反射波折射波折射波(2)折射定律)折射定律c1入射声波速,c2折射声波速(1)反射定律)反射定律I0,Ir,It分别为入射波、反射波、透射波的声强;1c1、2c2分别为两介质的声阻抗。声波的反射系数和透射系数可分别由如下两式求得:当超声波垂直入射界面,即=0时,则若2c21c1,R0,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,R1,则声波几乎全反射,透射极少。当1c12c2,R1,声波几乎全反射。在20水温时,故超声波从水介质中传播至水气界面时,将发生全反射。L 1界面界面介质介质1介质介质2 2L1L2S1S2 L
5、入射纵波;入射纵波;L1 反射纵波;反射纵波;L2 折射纵波折射纵波 S1 反射横波;反射横波;S2折射横波。折射横波。(3)(3)波型转换波型转换当声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,还会发生横波的反射和折射 如果第二介质为液体或气体,则仅有纵波,而不会产生横波和表面波。(1)纵波全反射:折射波中便只有横波存在(2)横波全反射:介质的分界面上只传播表面波。超声波的衰减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
6、)。声波衰减原因:扩散衰减扩散衰减:随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减散射衰减:超声波在介质中传播时,固体介质中颗粒界面或流体介质中悬浮粒子使声波产生散射,一部分声能不再沿原来传播方向运动,而形成散射。吸收衰减吸收衰减: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。7.2 超声波传感器超声波传感器 能够完成产生超声波和接收超声波功能的装置就是超声波传感器,也称为超声波换能器或超声波探测器。应用:应用:超声波传播时间传感器、目标探测、流量测量、液位测量、超声清洗、超声医疗等。特点:特点:精度高,被测物体不受影
7、响,使用寿命长结构:结构:直探头、斜探头、双探头和液浸探头工作原理:工作原理:压电式、磁致伸缩式、电磁式压电式超声波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;而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。压电式超声波传感器结构它主要由压电晶片、吸收块(阻尼块)、保护膜、引线等组成。压电晶片多为圆板形,厚度为。超声波频率f与其厚度成反比。压电晶片的两面镀有银层,作导电的极板。阻尼块的作用是降低晶片的机械品质,吸收声能量。如果没有阻尼块,当激励的电脉冲信号停止时,晶片将会继续振荡,加长
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