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第5章超声波传感器
¡5.1超声检测的物理根底
¡5.2超声波探头
¡5.3超声波检测技术的应用
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5.1超声检测的物理根底
¡振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率在20～
2104Hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于20
Hz的机械波，称为次声波；高于2104Hz的机械波，称为超声
波，如图5-1所示。
¡5.1.1波的反射和折射
¡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
中的传播速度不同，在异质界面上会产生反射、折射和波型
转换等现象。
¡由物理学知，当波在界面上产生反射时，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
同时，波速相等，入射角即等于反射角，如图5-2所示。当波
在界面外产生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，
等于入射波在第一介质中的波速c与折射波在第二介质中的
1
波速c之比，即
2
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5.1超声检测的物理根底
¡(5-1)
¡5.1.2超声波的波型及其转换
¡当声源在介质中的施力方向与波在介质中的传播方向不同时，
声波的波型也有所不同。质点振动方向与传播方向一致的波
称为纵波，它能在固体、液体和气体中传播。
¡质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波，它只能在固体
中传播。
¡质点振动介于纵波和横波之间，沿着外表传播，振幅随着深
度的增加而迅速衰减的波称为外表波，它只在固体的外表传播。
¡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，如图5-3
所示。在一定条件下，还能产生外表波。各种波型均符合几
何光学中的反射定律，即
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5.1超声检测的物理根底
¡(5-2)
¡式中——入射角；
¡1、2——纵波与横波的反射角；
¡γ、——纵波与横波的折射角；
¡cL、cL1、cL2、——入射介质、反射介质与折射介质内的纵
波速度；
¡、——反射介质与折射介质内的横波速度。
¡如果介质为液体或气体，那么仅有纵波。
¡5.1.3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、吸收等因素有关。
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5.1超声检测的物理根底
¡在平面波的情况下，距离声源x处的声压p和声强I的衰减规律
如下
¡(5-3)
¡(5-4)
¡式中p、I——距声源x=0处的声压和声强；
00
¡e——自然对数的底；
¡——衰减系数，单位Np/cm(奈培/厘米)。
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