超声波的检测原理反射折射

超声波的检测原理反射折射

2超声波及超声检测原理

2. 1超声波的基本性质

通常人耳能听到声音的频率范围在20}20KHz 之间，把超过20KHz 的声波称为超声波。超声波在本质上是一种机械波，所以它的产生必须依赖两个条件，一是有机械振动的声源，二是有能够传播振动的弹性介质。

波的种类是根据介质质点的震动方向和波动传播方向的关系来区分的。超声波在介质中传播的波形有许多种，有纵波、横波、表面波等。

2.1.1超声场的特征量

充满超声波的空间叫做超声场。声压、声强度、声阻抗是描述超声场特征的几个重要物理量。

a.声压

超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强与没有超声场存在时的静态压强之差被称为声压，常用P 表示，单位为帕。超声波在介质中传播时，介质中每一点的声压随着时间t 、距离x 而变化，其公式为:

pcv c

x t w Awp p =--=)(sin 式中P 为介质的密度、必为介质的角频率C 为超声波在介质中的波速，v 为介质质点的振动速度。可见声压的绝对值与波速以及角频率成正比。

b.声强度

在垂直于超声波方向上的单位面积内通过的声能量被称为声强度，也 称声强。

式中A 为超声波的振幅。从公式可见声强与质点振动的位移振幅的平方成正比，与质点振动的角频率的平方成正比。

C.声阻抗

从声压的公式可见，在同一声压下辉越大，质点振动速度就越小，反之亦然，它反映了声学特性，故将声的乘积作为介质的声阻抗，以符号Z 表示。

2. 1. 2超声波的速度及波长

超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量及介质的密度有关，对一定的介质其弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。不同的介质有不同的声速。超声波的频率、波长和声谏之间的关系如下:

其中入超声波的波长、c 为超声波的速度、f 为超声波的频率。

声波由单界面垂直入射示意图

在两种介质界面上，用反射声压(振幅)Pr和入射声压Po的比值表示声压反射率R，即:

在两种介质的界面上，用透射声压(振幅)P},和入射声压Po的比值表示声压透射率D，即:

经过理论推导可知

若Z1=Z2，因R≈0而D≈1，说明当界面两边声阻抗相同时，声波几乎没有反射，而全部从第一介质透射到第二介质。

当Z10，反射声压只和入射声压Po 同相位，在界面上入射声压Po与反射声压只叠加类似于驻波。合成声压振幅

P=Pr+Po，对于水Z1 =0.5 x106g/cm2 .s,钢

以上计算结果表明，超声波垂直入射到水/钢界面时，其声压反射率

R=0.935>0，声压透射率D=1.935>1似乎违反了能量守恒定律。其实不然，界面

两边应当平衡。

当Z1> Z2时，例如，声波从钢入水，声压反射系数

说明反射波声压和入射波声压相位相反，其合成振幅减小。应以钢和水为例:

计算结果表明，当声波传播到两种介质声阻抗相差很大的界面上时，声波几乎全部被反射，无透射波。

(2)声波斜入射到平面上的反射和折射:

当超声波与界面成一定角度入射时，在固体介质中将发生波形转换，原来入射的纵波在第一和第二介质中除有纵波外，还将被转换成横波，两种波形传播方向不同，如图2-2所示，并可按反射定律和折射定律计算:

式中Cl1，是第一介质的纵波声速;Cl2 是第二介质的纵波声速;Cs1是第

一介质的横波声速;Cs2是第二介质的横波声速。根据反射定律和折射定律，

可以改变入射角和第一介质的材料来获得横波、表面波、板波等各种不同

的波形。从公式可以得出纵波折射角

可见，当Cl2大于Cl1时βl大于a1，若Cs2大于Cl1时βs大于a1，而在同种介质材料的条件βL大于βS。如果增大入射角，折射角也随之增大，发生βL= 900的现象，折射在界面上产生表面波;若继续增大入射角使βL大于900时，纵波反射第一介质，而第二介质内就只有横波存在了。

2. 2超声换能器

(1)超声换能器的定义、分类及工作原理

顾名思义，换能器就是将一种能量转换为另一种能量，进行能量转换的器件。超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或将外部的声信号转换为电信号的能量转换器件。超声换能器是超声检测装置中非常重要的一部分，它的性能和特点往往决定了超声检测的方法，对检测的效果有很大的影响。

超声换能器的种类很多，目前使用较多的是电气类中的压电型超声波发生器，而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体，钦酸钡压电陶瓷、错钦酸铅压电陶瓷复合晶体(PZT), PVDF等。近年来，新型的PVDF压电薄膜材料得到了发展和应用，它除有良好的物理性能外，在厚度、面积上有很大的选择余地，而且有易于加工和频率范围宽的特点，常用来制成40KHz--300KHz的超声换能器，如德国Flowline公司LU3 0系列产品。因此，目前压电材料呈现石英晶体、压电陶瓷多晶体及新型压电材料三方鼎立的局面。

压电型超声换能器是借助压电晶体的谐振来工作的，即晶体的压电效应

超声波发生器是一个超声频电子振荡器，当把振荡器产生的超声频电压加到超声换能器的压电晶体上时，压电晶体组件就在电场作用下产生纵向运动。压电组件振荡时，仿佛是一个小活塞，其振幅很小，约为(1一10 um) ,但这种振动的加速度很大，约(10-l0lg)，这样就可以把电磁振荡能量转化为机械振动能量，若这种能量沿着一定方向传播出去，就形成超声波。

当在超声换能器的两电极施加脉冲信号时，压电晶片就会发生共振，并带动谐振子振动，并推动周围介质振动，从而产生超声波。相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，由逆压电效应，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。在一般工业领域，超声波的发送和接收在同一个传感器中完成，这样不仅可以降低成本，而且在一定程度上减小了测量误差。市售的超声波传感器有专用型和兼用型，专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波。兼用型就是接收一体，只一个传感器头，具有发送和接收超声波的双重作用。市售超声波传感器的谐振频率(中心频率)有23KHz, 40KHz, 75KHz, 200KHz, 400KHz等几种。谐振频率越高，距离分辨率也越高，但由于声衰减，测距范围将降低。