第5章聲學(xué)傳感器

第五章聲學(xué)量傳感器5.1技術(shù)基礎(chǔ)定義：聲學(xué)量傳感器是能感受聲學(xué)量并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。

表5-1聲學(xué)量傳感器類型表傳感器類型說(shuō)明聲壓傳感器感受聲壓并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)噪聲傳感器感受噪聲并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)超聲[波]傳感器感受超聲波并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)微型麥克風(fēng)用微加工技術(shù)制造的可以把聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器一、聲波的基本性質(zhì)1.聲波的類型⑴聲波：20Hz~20KHz之間的機(jī)械波能為人耳所聞，稱為聲波。⑵次聲波：低于20Hz的機(jī)械波稱為次聲波。⑶超聲波：高于20KHz（2×10）的機(jī)械波稱為超聲波。2.波型⑴縱波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向一致。⑵橫波。質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向垂直與波的傳播方向。⑶表面波。質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和橫波之間，其振動(dòng)的軌跡是橢圓形，長(zhǎng)軸垂直于傳播方向，短軸平行于傳播方向。3.傳播速度⑴氣體和液體介質(zhì)式中K——介質(zhì)的彈性模量ρ-----介質(zhì)的密度⑵固體介質(zhì)E----固體介質(zhì)的楊氏模量μ---固體介質(zhì)的波松比G----固體介質(zhì)的剪切彈性模量ρ---介質(zhì)的密度二、聲波的特性參數(shù)1.聲壓及聲阻抗⑴聲壓：由于聲波作用而產(chǎn)生的壓強(qiáng)叫“聲壓”。 式中：ρ為空氣密度；V為聲速；U為空氣質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度。單位：牛頓/米2，又稱帕⑵聲阻抗 Z=ρ×V 式中：ρ為空氣密度；V為聲速。單位：當(dāng)ρ的單位是g/cm3時(shí)，聲阻抗的單位是瑞利。2.聲功率及聲強(qiáng)⑴聲功率聲功率是指聲源在單位時(shí)間內(nèi)向外輻射的聲能，記為W，單位為瓦（W)或微瓦（μW）。連續(xù)超聲波：聲功率一般在幾毫瓦～幾十千瓦范圍。脈沖超聲波：聲功率為幾分之一毫瓦～幾兆瓦。

⑵聲強(qiáng)在單位時(shí)間內(nèi)，在垂直于聲波傳播方向的單位面積上所通過(guò)的聲能，記為I。I＝W/S 式中：S為聲能所通過(guò)的面積（㎡）；W為聲功率。3.聲波的反射和折射當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩介質(zhì)的分界面上將發(fā)生反射和折射，并滿足波的反射定律和折射定律。4.聲波的衰減超聲波在一種介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著距離的增加，能量逐漸衰減。5.2超聲波傳感器5.2.1超聲檢測(cè)技術(shù)一、超聲波的物理效應(yīng)1.空化效應(yīng)空化現(xiàn)象：2.機(jī)械效應(yīng)超聲波在傳播的過(guò)程中，會(huì)引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)交替地壓縮和擴(kuò)張，構(gòu)成了壓力的變化，這種壓力變化將引起機(jī)械效應(yīng)。X=Asinωt二、超聲技術(shù)的應(yīng)用1.超聲加工處理技術(shù)⑴是超聲波的功率應(yīng)用⑵利用某種超聲效應(yīng)⑶著重一些描述聲場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量2.超聲檢測(cè)技術(shù)⑴應(yīng)用聲速測(cè)量⑵聲衰減⑶聲阻抗5.2.2超聲波傳感器的原理一、壓電型超聲波傳感器

式中：E為壓電片沿x軸方向的彈性模量；為壓電片的密度。例石英晶體：

若選擇石英晶片的厚度為1mm，則其自然振動(dòng)頻率為2.87MHz。三、超聲波傳感器特征1.超聲波頻率

C=fλ超聲波頻率在很大程度上決定了超聲波對(duì)缺陷的探測(cè)能力頻率越高，其：⑴波長(zhǎng)短，聲束窄，擴(kuò)張角小，能量集中。因而發(fā)現(xiàn)小缺陷能力強(qiáng)，分辨率高，缺陷定位準(zhǔn)確。⑵散射大，衰減顯著，穿透力弱。同時(shí)回波形狀復(fù)雜，使得信噪比降低。因此在檢測(cè)粗糙面時(shí)，應(yīng)選擇低頻率。⑶反射性強(qiáng)。如果波不是近于垂直地射到裂面上，在檢測(cè)方向上就不能產(chǎn)生足夠大的回波。頻率越高這種現(xiàn)象越顯著。⑷掃描空間小，僅能發(fā)現(xiàn)聲束軸線附近的缺陷。脈沖接觸法常用的頻率范圍頻率范圍應(yīng)用25~100KHz混凝土、巖石等粗結(jié)構(gòu)材料200K~1MHz灰口鐵、可鍛鑄鐵等相當(dāng)粗的材料400K~5M鋼、呂、黃銅等細(xì)晶粒材料200K~2.25M塑料2.25~10MHz管、型材等有色金屬1~10M維修檢測(cè)，特別是疲勞裂紋2.型號(hào)標(biāo)識(shí)基本頻率→晶片材料→晶片尺寸→探頭種類→特征其中：晶片材料：用縮寫(xiě)符號(hào)P鋯鈦酸鉛B鈦酸鋇T鈦酸鉛探頭種類：Z直探頭K斜探頭特征：探頭的幾何特征5.2.3超聲波在檢測(cè)中的應(yīng)用一、超聲波物位計(jì)傳感器舉例：德國(guó)E+H公司的