自动检测技术及应用第3版 梁森7检测课件（第7章）2016-12-21.ppt

机电类《自动检测技术》第七章多媒体课件统一书号： ISBN 978-7-111-34300-4 课程配套网站或 2017年4月版 第七章 超声波传感器 本章介绍超声波的物理基础，超声波换能器的分类、结构，耦合技术等，介绍超声波在检测技术中的应用，也涉及无损探伤的原理、方法及设备。 第七章 超声波传感器 目录 7.1 超声波物理基础 7.2 超声波换能器及耦合技术 7.3 超声波传感器的应用 7.4 无损探伤 第一节 超声波的物理基础 1.次声波 2.可闻声波（20Hz~20kHz） 3.超声波 蝙蝠依靠超声波定位 超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点。 压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下，可得到较大功率的超声波，可以被聚焦，能用于集成电路及塑料的焊接。 超声波金丝焊接机 超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。 超声波在医学检查中的应用 胎儿的 B超影像 大功率超声波用于高效清洗 当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生一定的正压，即液体体积被压缩减小，液体中形成的微小气泡被压碎。 每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力，这种现象被称之为“空化作用”，超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。 超声清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。 超声波清洗原理及清洗器 超声换能器 第一节 超声波物理基础 频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。 超声波的波型分类 1－超声波发生器 2－钢材 纵波（疏密波）纵波。在介质中传播时，波的传播方向与质点振动方向一致。 横波 横波也称“凹凸波”，是介质粒子振动方向和波行进方向垂直的一种波。也称S波,若此波沿着x轴移动，则振动方向为与x轴垂直的方向上。 表面波 能量集中于表面附近的弹性波。地震学、天文学、雷达通信及广播电视中的信号处理、航空航天、石油勘探和无损检测等。 表面波的特点 当超声波的入射角超过临界角时，折射角β可以达到90o。这时，质点在介质表面的平衡位置附近作椭圆轨迹振动，形成表面波，可以沿试件表面传导到很远的地方。 超声波的指向角 几种常用材料的声速与密度、声阻抗的关系 （环境温度为0℃） 超声波的指向角 超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐向外扩散，声场指向性及指向角如图所示。在声束横截面的中心轴线上，超声波最强，且随着扩散角度的增大而减小。指向角θ（单位为rad）与超声源的直径D以及波长λ之间的关系为 超声波入射角与反射角、折射角 Pc－入射波 α－入射角 Pr－反射波 αr－反射角 Ps－折射波 β－折射角 超声波的反射定律 超声波入射角α的正弦与反射角α r的正弦之比，等于入射波所处介质的声速c1与反射波所处介质的声速cr之比，即：sinα/sinαr=c1/cr 如果出射波的波型与入射波的波型都是纵波， 则αr=α。 超声波的折射定律 入射角α的正弦与折射角β的正弦之比，等于超声波在入射波所处介质1的声速c1与折射波所处介质2中的传播速度cs之比，即 sinα/sinβ = c1 /cs 在上图中，折射角大于入射角，说明第二介质的声速cs大于第一介质的声速c1（与密度有关）。 超声波的反射率与折射率 当声波垂直入射到光滑的界面上时的示意图如图所示，入射声压pi、反射声压pr、透射声压pd三者之间满足如下关系： p i+ pr = pd 反射波和透射波声压的比例与组成界面的两种介质的声阻抗Z有关。界面一侧的总声压等于另一侧的总声压，压强处于平衡状态。将反射声压pr与入射波声压pi之比称为声压反射率γ。 超声波的反射率与折射率的讨论 1）当介质1与介质2的声阻抗相等或十分接近时，γ=0，d=1。即不产生反射波，可以视为全透射。 2）当超声波从声阻抗（Z1）低的介质射向声阻抗（Z2）高的介质时，反射声压pr与入射声压pi相位相同，但透射声压pd却大于入射声压p i （能量仍然守恒） 。 3）当超声波从声阻抗（Z1）大的介质射向声阻抗（Z2）小的介质时，反射声压pr与入射声压pi相位相反，且透射声压pd小于入射声压pi。 例：当超声波从水中入射到钢板与水的界面时，求：反射率γ、透射率d。 解 查表7-1可得，Z水=14.8MPa·s·m-1， Z钢=460MPa·s·m-1，则有 水浸探头