第5章声学传感器讲述.ppt

第五章 声学量传感器 5.1 技术基础 定义： 声学量传感器是能感受声学量并转换成可用输出信号的传感器。 表5-1 声学量传感器类型表 一、声波的基本性质 1.声波的类型 ⑴声波：20Hz~20KHz之间的机械波能为人耳所闻，称为声波 。 ⑵次声波：低于20Hz的机械波称为次声波。 ⑶超声波：高于20KHz（2×10）的机械波称为超声波。 2.波型 ⑴纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致。 ⑵横波。质点的振动方向垂直与波的传播方向。 ⑶表面波。质点的振动介于纵波和横波之间，其振动的轨迹是椭圆形，长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向。 3.传播速度 ⑴气体和液体介质 式中 K——介质的弹性模量 ρ-----介质的密度 ⑵固体介质 E----固体介质的杨氏模量 μ---固体介质的波松比 G----固体介质的剪切弹性模量 ρ---介质的密度 二、声波的特性参数 1.声压及声阻抗 ⑴声压：由于声波作用而产生的压强叫“声压”。 式中：ρ为空气密度；V为声速；U为空气质点的振动速度。 单位：牛顿/米2，又称帕 ⑵声阻抗 Z=ρ×V 式中：ρ为空气密度；V为声速。 单位：当ρ的单位是g/cm3时，声阻抗的单位是瑞利。 2.声功率及声强 ⑴声功率 声功率是指声源在单位时间内向外辐射的声能，记为W，单位为瓦（W)或微瓦（μW）。 连续超声波：声功率一般在几毫瓦～几十千瓦范围。 脉冲超声波：声功率为几分之一毫瓦～几兆瓦。 ⑵声强 在单位时间内，在垂直于声波传播方向的单位面积上所通过的声能，记为I。 I＝W/S 式中：S为声能所通过的面积（㎡）；W为声功率。 3.声波的反射和折射 当超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上将发生反射和折射，并满足波的反射定律和折射定律 。 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。 5.2 超声波传感器 5.2.1 超声检测技术 一、超声波的物理效应 1.空化效应 空化现象： 2.机械效应 超声波在传播的过程中，会引起介质质点交替地压缩和扩张，构成了压力的变化，这种压力变化将引起机械效应。 X=Asinωt 二、超声技术的应用 1.超声加工处理技术 ⑴是超声波的功率应用 ⑵利用某种超声效应 ⑶着重一些描述声场强弱的物理量 2.超声检测技术 ⑴应用声速测量 ⑵声衰减 ⑶声阻抗 5.2.2 超声波传感器的原理 一、压电型超声波传感器 式中：E为压电片沿x轴方向的弹性模量；为压电片的密度。 例石英晶体： 若选择石英晶片的厚度为1mm，则其自然振动频率为2.87MHz。 三、 超声波传感器特征 1.超声波频率 C=fλ 超声波频率在很大程度上决定了超声波对缺陷的探测能力 频率越高，其： ⑴波长短，声束窄，扩张角小，能量集中。因而发现小缺陷能力强，分辨率高，缺陷定位准确。 ⑵散射大，衰减显著，穿透力弱。同时回波形状复杂，使得信噪比降低。因此在检测粗糙面时，应选择低频率。 ⑶反射性强。如果波不是近于垂直地射到裂面上，在检测方向上就不能产生足够大的回波。频率越高这种现象越显著。 ⑷扫描空间小，仅能发现声束轴线附近的缺陷。 脉冲接触法常用的频率范围 频率范围 应用 25~100KHz 混凝土、岩石等粗结构材料 200K~1MHz 灰口铁、可锻铸铁等相当粗的材料 400K~5M 钢、吕、黄铜等细晶粒材料 200K~2.25M 塑料 2.25~10MHz 管、型材等有色金属 1~10M 维修检测，特别是疲劳裂纹 2.型号标识 基本频率→晶片材料→晶片尺寸→探头种类→特征 其中： 晶片材料：用缩写符号 P锆钛酸铅B钛酸钡T钛酸铅 探头种类：Z直探头 K斜探头 特征：探头的几何特征 5.2.3超声波在检测中的应用 一、超声波物位计 传感器举例： 德国E+H公司的FMV232-AF21。参数： 测量范围：0—7m 电 源：220V 50HzAC 输 出：4－20mA DC 连 接：四线制 二、无损检测 1.透射法： 2.反射法： * 用微加工技术制造的可以把声信号转换成电信号的传感器 微型麦克风 感受超声波并转换成可用输出信号 超声[波]传感器 感受噪声并转换成可用输出信号 噪声传感器 感受声