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第9章波式传感器2023/9/13星期三1
引言超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料n学为基础的,各行各业都使用的通用技术之一。它是通过超声波产生、传播以及接收这个物理过程来完成的。超声波在液体、固体中衰减很小,穿透能力强,特别是对不透光的固体,超声波能穿透几十米的厚度。当超声波从一种介质入射到另一种介质时,由于在两种介质中的传播速度不同,在介质面上会产生反射、折射和波型转换等现象。超声波的这些特性使它在检测技术中获得了广泛的应用,如超声波无损探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜及超声成像等。2023/9/13星期三2
9.1超声波及其物理性质9.1.1超声波的基本概念1.超声波的概念和波形n机械振动在弹性介质内的传播称为波动,简称n为波。人能听见声音的频率为20Hz~20kHz,即为声波,超出此频率范围的声音,即20Hz以下的声音称为次声波,20kHz以上的声音称为超声波,一般说话的频率范围为100Hz~8kHz。超声波为直线传播方式,频率越高,绕射能力越弱,但反射能力越强n2023/9/13星期三3
声波频率的界限划分2023/9/13星期三4
声波的分类1.次声波次声波是频率低于20赫兹的声波,人耳听不到,但可与人体器官发生共振,7~8Hz的次声波会引起人的恐怖感,动作不协调,甚至导致心脏停止跳动。2023/9/13星期三5
2.可闻声波美妙的音乐可使人陶醉。2023/9/13星期三6
3.超声波蝙蝠能发出和听见超声波。2023/9/13星期三7
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。超声波加湿器超声波雾化器2023/9/13星期三8
声波的波型(1)纵波—质点振动方向与波的传播方向一致的波。n(2)横波—质点振动方向垂直于传播方向的波。n(3)表面波—质点的振动介于横波与纵波之间,沿着表面传播的波。n横波只能在固体中传播,纵波能在固体、液体和气体中传播,表面波随深度增加衰减很快。为了测量各种状态下的物理量,多采n用纵波。2023/9/13星期三9
纵波2023/9/13星期三10
横波2023/9/13星期三11
表面波2023/9/13星期三12
2.声速、波长与指向性(1)声速n纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性系数、介质的密度以及声阻n抗。介质的声阻抗Z等于介质的密度ρ和声速nc的乘积,即nZ=ρc2023/9/13星期三13
常用材料的密度、声阻抗与声速(环境温度为0℃)声阻抗Z(MPa·s密度ρ(10kg·m-1)纵波声速cL(km/s)横波声速cs(km/s)材料3103-1)钢铝铜722.45.93.233.082.051.43—2.76.324.78.9有机玻璃甘油1.181.261.02.731.921.481.4水(20℃)油1.48—0.91.28—空气0.00130.00040.34—2023/9/13星期三14
(2)波长超声波的波长λ与频率f乘积恒等于声速c,即nnλf=c2023/9/13星期三15
(3)指向性超声波声源发出的超声波束以一定的角n度逐渐向外扩散。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。1—超声源2—轴线3—指向角4—等强度线2023/9/13星期三16
指向角θ与超声源的直径D、以及波长λ之间的关系为nnnsinθ=1.22λ/D设超声源的直径D=20mm,射入钢板的超声波(纵波)频率为5MHz,则根据式(可得θ=4o,可见该超声波的指向性是十分尖锐的。2023/9/13星期三17
3.超声波的反射和折射超声波从一种介质传播到另一介质,在n两个介质的分界面上一部分能量被反射回原介质,叫做反射波,另一部分透射过界面,在另一种介质内部继续传播,则叫做折射波。这样的两种情况分别称之为声波的反射和折射,2023/9/13星期三18
波的反射和折射2023/9/13星期三19
(1)反射定律nn入射角?的正弦与反射角?的正弦之比等于波速之比。当入射波和反射波的波型相同、波速相等时,入射角?等于反射角?。(2)折射定律nn入射角?的正弦与折射角?的正弦之比等于超声波在入射波所处介质的波速c1与在折射波中介质的波速c2之比,即nsin?/sin?=c1/c22023/9/13星期三20
4.超声波的衰减超声波在介质中传播时,随着传播距离的增加,能量逐渐衰减,其衰减的程度与超声波的扩散、散射及吸收等因素有关。n超声波在介质中传播时,能量的衰减决定于声n波的扩散、散射和吸收,在理想介质中,声波的衰减仅来自于声波的扩散,即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声
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