超声波传感器工作原理.ppt

* 第10章 超声波传感器 第10章 超声波传感器 10.1 超声波及其物理性质 10.2 超声波传感器 10.3 超声波传感器应用 10.1 超声波及其物理性质 10.1 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。其频率在16~2×104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于16 Hz的机械波，称为次声波；高于2×104 Hz的机械波，称为超声波, 如图10-1所示。频率在3×108~3×1011 Hz之间的波，称为微波。 图10-1 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。 10.1.1 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： ① 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； ② 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；  ③ 表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。 超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波的传播，其传播速度c为 式中：ρ——介质的密度； Ba——绝对压缩系数。  上述的ρ、Ba都是温度的函数，使超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化，表10-1为蒸馏水在0～100℃时声速随温度变化的数值。 （10-1） 表10-1 0～100℃范围内蒸馏水声速随温度的变化 表10-1 0～100℃范围内蒸馏水声速随温度的变化 从表10-1可见，蒸馏水温度在0～100℃范围内，声速随温度的变化而变化，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、压强也会引起声速的变化。 在固体中，纵波、横波及其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，表面波声速为横波声速的90%。气体中纵波声速为344 m/s，液体中纵波声速在900～1900m/s。 10.1.2 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10-2所示。 图10-2 超声波的反射和折射 由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角α的正弦与反射角α′的正弦之比等于波速之比。 当波在界面处产生折射时，入射角α的正弦与折射角β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 （10-2） 声波的反射系数和透射系数可分别由如下两式求得: (10-3) (10-4) 式中：I0, Ir, It——分别为入射波、反射波、透射波的声强； α、β——分别为声波的入射角和折射角；  ρ1c1、ρ2c2——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α=β=0时，则 (10-6) (10-5) 由式（10-5）和式（10-6）可知，若ρ2c2≈ρ1c1，则反射系数R≈0，透射系数T≈1，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ρ2c2ρ1c1, 反射系数R≈1，则声波在界面上几乎全反射，透射极少。同理，当ρ1c1 ρ2c2时，反射系数R≈1，声波在界面上几乎全反射。如：在20℃水温时，水的特性阻抗为ρ1c1 =1.48×106kg/(m2·s), 空气的特性阻抗为ρ2c2 =0.000 429×106 kg/(m2·s), ρ1c1 ρ2c2, 故超声波从水介质中传播至水气界面时， 将发生全反射。 10.1.3 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 （10-7） （10-8） 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；  α——衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。 声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。 在理想介质中，声波的衰减仅