聲阻抗與聲速

第9章波式傳感器1.引言超聲波技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械及材料學(xué)為根底的，各行各業(yè)都使用的通用技術(shù)之一。它是通過超聲波產(chǎn)生、傳播以及接收這個(gè)物理過程來完成的。超聲波在液體、固體中衰減很小，穿透能力強(qiáng)，特別是對(duì)不透光的固體，超聲波能穿透幾十米的厚度。當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，由于在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同，在介質(zhì)面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。超聲波的這些特性使它在檢測(cè)技術(shù)中獲得了廣泛的應(yīng)用，如超聲波無損探傷、厚度測(cè)量、流速測(cè)量、超聲顯微鏡及超聲成像等。2.9.1超聲涉及其物理性質(zhì)1．超聲波的概念和波形機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng)，簡(jiǎn)稱為波。人能聽見聲音的頻率為20Hz～20kHz，即為聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱為次聲波，20kHz以上的聲音稱為超聲波，一般說話的頻率范圍為100Hz～8kHz。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)9.1.1超聲波的根本概念3.聲波頻率的界限劃分4.聲波的分類

1.次聲波次聲波是頻率低于20赫茲的聲波，人耳聽不到，但可與人體器官發(fā)生共振，7~8Hz的次聲波會(huì)引起人的恐怖感，動(dòng)作不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致心臟停止跳動(dòng)。5.2.可聞聲波

美妙的音樂可使人陶醉。6.3.超聲波蝙蝠能發(fā)出和聽見超聲波。7.

超聲波與可聞聲波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特點(diǎn)。

超聲波霧化器

超聲波加濕器8.聲波的波型〔1〕縱波—質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波?！?〕橫波—質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波?！?〕外表波—質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿著外表傳播的波。橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體、液體和氣體中傳播，外表波隨深度增加衰減很快。為了測(cè)量各種狀態(tài)下的物理量，多采用縱波。9.縱波10.橫波11.外表波12.2.聲速、波長(zhǎng)與指向性〔1〕聲速縱波、橫涉及外表波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性系數(shù)、介質(zhì)的密度以及聲阻抗。介質(zhì)的聲阻抗Z等于介質(zhì)的密度ρ和聲速c的乘積，即 Z=ρc13.常用材料的密度、聲阻抗與聲速〔環(huán)境溫度為0℃〕材料密度ρ(103kg·m-1)聲阻抗Z（103MPa·s-1）縱波聲速cL（km/s）橫波聲速cs（km/s）鋼7.8465.93.23鋁2.7176.323.08銅8.9424.72.05有機(jī)玻璃1.183.22.731.43甘油1.262.41.92—水（20℃）1.01.481.48—油0.91.281.4—空氣0.00130.00040.34—14.〔2〕波長(zhǎng)超聲波的波長(zhǎng)λ與頻率f乘積恒等于聲速c，即

λ

f=c

15.〔3〕指向性超聲波聲源發(fā)出的超聲波束以一定的角度逐漸向外擴(kuò)散。在聲束橫截面的中心軸線上，超聲波最強(qiáng)，且隨著擴(kuò)散角度的增大而減小。1—超聲源2—軸線3—指向角4—等強(qiáng)度線16.指向角θ與超聲源的直徑D、以及波長(zhǎng)λ之間的關(guān)系為 sinθ=1.22λ/D 設(shè)超聲源的直徑D=20mm，射入鋼板的超聲波〔縱波〕頻率為5MHz，那么根據(jù)式〔可得θ=4o，可見該超聲波的指向性是十分鋒利的。17.3.超聲波的反射和折射超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一介質(zhì)，在兩個(gè)介質(zhì)的分界面上一局部能量被反射回原介質(zhì)，叫做反射波，另一局部透射過界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播，那么叫做折射波。這樣的兩種情況分別稱之為聲波的反射和折射，18.波的反射和折射19.〔1〕反射定律入射角的正弦與反射角'的正弦之比等于波速之比。當(dāng)入射波和反射波的波型相同、波速相等時(shí)，入射角等于反射角'?！?〕折射定律入射角的正弦與折射角的正弦之比等于超聲波在入射波所處介質(zhì)的波速c1與在折射波中介質(zhì)的波速c2之比，即 sin/sin=c1/c220.4.超聲波的衰減超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與超聲波的擴(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，能量的衰減決定于聲波的擴(kuò)散、散射和吸收，在理想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來自于聲波的擴(kuò)散，即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。散射衰減是固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子使聲波散射。吸收衰減是由介質(zhì)的導(dǎo)熱性、粘滯性及彈性滯后造成的，介質(zhì)吸收聲能并轉(zhuǎn)換為熱能。21.9.2微波傳感器微波傳感器的根本原理是根據(jù)微波的傳播特性〔反射、透射、散射、干預(yù)等〕以及被測(cè)材料的電磁特性(介電常數(shù)和損耗角正切)，通過對(duì)微波根本參數(shù)的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的感知。因此在學(xué)習(xí)微波傳感器之前，先對(duì)微波的相關(guān)知識(shí)作一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，以更好地掌握和使用微波傳感器來檢測(cè)相應(yīng)的物理量。22.9.2.1微波的性質(zhì)與特點(diǎn)1、微波頻段的劃分波段頻率范圍/GHz在真空中波長(zhǎng)/cmL0.390~1.55076.9~19.3S1.550~5.20019.3~5.77X5.200~10.9005.77~2.75K10.900~36.0002.75~0.834Q36.000~46.0000.834~0.652V46.000~56.0000.652~0.536W56.000~100.0000.536~0.300微波以波的形式向四周輻射，當(dāng)波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于物體尺寸時(shí)，微波具有似光性；當(dāng)波長(zhǎng)和物體尺寸有相同數(shù)量級(jí)時(shí)，微波又有近于聲學(xué)的特性。

23.2023/12/1249.2.1微波的性質(zhì)與特點(diǎn)2、微波的傳播特性在電磁性能不同的兩介質(zhì)界面處，微波的反射和折射定律本質(zhì)上與可見光的反射和折射相同。24.2023/12/1259.2.1微波的性質(zhì)與特點(diǎn)3、介質(zhì)的電磁特性(1)、微波的頻率較高，傳播指向性強(qiáng)；(2)、微波的波長(zhǎng)短，因此遇到各種障礙物容易被反射；(3)、微波的穿透力較強(qiáng)，不易受環(huán)境因素影響，例如煙霧、灰塵、強(qiáng)光等；(4)、介質(zhì)對(duì)微波的吸收作用與介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，其中水對(duì)微波的吸收作用最強(qiáng)。25.9.2.2微波振蕩器與微波天線微波的產(chǎn)生也來自于振蕩器。組成振蕩器中振蕩回路中的電子元器件主要有速調(diào)管、磁控管、某些固態(tài)器件以及一些量值很小的電感、電容等。26.2023/12/1279.2.2微波振蕩器與微波天線常見微波天線結(jié)構(gòu)示意圖27.2023/12/1289.2.3微波傳感器及其分類類別測(cè)量參數(shù)特點(diǎn)空間波式微波在自由空間的反射、吸收、衍射等參數(shù)的變化結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單波導(dǎo)式微波在波導(dǎo)中傳輸時(shí)的反射、吸收特性以及介質(zhì)變化等對(duì)傳導(dǎo)波的影響靈敏度高，體積小諧振腔式諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)隨腔體尺寸或腔中填充物的變化精度高28.2023/12/1299.2.3微波傳感器及其分類微波傳感器的根本構(gòu)成框圖29.2023/12/1309.2.3微波傳感器及其分類微波傳感器的根本構(gòu)成框圖30.各種微波探頭〔以下參考常州市常超檢測(cè)設(shè)備資料〕常用頻率范圍：0.5~10MHz，常見晶片直徑：5~30mm接觸式直探頭〔縱波垂直入射到被檢介質(zhì)〕

外殼用金屬制作，保護(hù)膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片磨損。

保護(hù)膜接插件31.超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片

將數(shù)百伏的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應(yīng)，使晶片發(fā)射出持續(xù)時(shí)間很短的超聲振動(dòng)波。當(dāng)超聲波經(jīng)被測(cè)物反射回到壓電晶片時(shí)，利用壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。32.1.單晶直探頭用于固體介質(zhì)的單晶直探頭〔俗稱直探頭〕，壓電晶片采用PZT壓電陶瓷材料制作，外殼用金屬制作，保護(hù)膜用于防止壓電晶片磨損。保護(hù)膜可以用三氧化二鋁〔鋼玉〕、碳化硼等硬度很高的耐磨材料制作。阻尼吸收塊用于吸收壓電晶片反面的超聲脈沖能量，防止雜亂反射波產(chǎn)生，提高分辨力。阻尼吸收塊用鎢粉、環(huán)氧樹脂等澆注。33.

超聲波探頭結(jié)構(gòu)示意1—接插件2—外殼3—阻尼吸收塊4—引線5—壓電晶體6—保護(hù)膜

7—隔離層8—延遲塊9—有機(jī)玻璃斜楔塊10—試件11—耦合劑34.超聲波的發(fā)射和接收雖然均是利用同一塊晶片，但時(shí)間上有先后之分，所以單晶直探頭是處于分時(shí)工作狀態(tài)，必須用電子開關(guān)來切換這兩種不同的狀態(tài)。35.2.雙晶直探頭由兩個(gè)單晶探頭組合而成，裝配在同一殼體內(nèi)。其中一片晶片發(fā)射超聲波，另一片晶片接收超聲波。兩晶片之間用一片吸聲性能強(qiáng)、絕緣性能好的薄片加以隔離，使超聲波的發(fā)射和接收互不干擾。略有傾斜的晶片下方還設(shè)置延遲塊，它用有機(jī)玻璃或環(huán)氧樹脂制作，能使超聲波延遲一段時(shí)間后才入射到試件中，可減小試件接近外表處的盲區(qū)，提高分辨能力。雙晶探頭的結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜些，但檢測(cè)精度比單晶直探頭高，且超聲波信號(hào)的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡(jiǎn)單。36.各種雙晶直探頭

焦距范圍：5~40mm,頻率范圍：2.5~5MHz，鋼中折射角：45

~70

37.3.斜探頭壓電晶片粘貼在與底面成一定角度〔如30°、45°等〕的有機(jī)玻璃斜楔塊上，壓電晶片的上方用吸聲性強(qiáng)的阻尼吸收塊覆蓋。當(dāng)斜楔塊與不同材料的被測(cè)介質(zhì)〔試件〕接觸時(shí)，超聲波產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，折射角可通過計(jì)算求得。38.接觸式斜探頭〔橫波、瑞利波或蘭姆波探頭〕壓電晶片粘貼在與底面成一定角度〔如30、45等〕的有機(jī)玻璃斜楔塊上，當(dāng)斜楔塊與不同材料的被測(cè)介質(zhì)〔試件〕接觸時(shí)，超聲波將產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，可產(chǎn)生屢次反射，而傳播到較遠(yuǎn)處去。底部耐磨材料接插件39.各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：1~5MHz40.接觸法雙晶斜探頭〔續(xù)〕41.4.聚焦探頭分辨試件中細(xì)小的缺陷，這種探頭稱為聚焦探頭，是一種很有開展前途的新型探頭。聚焦探頭采用曲面晶片來發(fā)出聚焦的超聲波，也可以采用兩種不同聲速的塑料來制作聲透鏡，還可利用類似光學(xué)反射鏡的原理制作聲凹面鏡來聚焦超聲波。如果將雙晶直探頭的延遲塊按上述方法加工，也可具有聚焦功能。42.5.箔式探頭利用壓電材料聚偏二氟乙烯〔PVDF〕高分子薄膜，制作出的薄膜式探頭稱為箔式探頭，可以獲得0.2mm直徑的超細(xì)聲束，用在醫(yī)用CT診斷儀器上可以獲得很高清晰度的圖像。43.6.空氣傳導(dǎo)型探頭超聲探頭的發(fā)射換能器和接收換能器一般是分開設(shè)置的，兩者結(jié)構(gòu)也略有不同，發(fā)射器的壓電片上粘貼了一只錐形共振盤，以提高發(fā)射效率和方向性。接收器在共振盤上還增加了一只阻抗匹配器，以濾除噪聲，提高接收效率?？諝鈧鲗?dǎo)的超聲發(fā)射器和接收器的有效工作范圍可達(dá)幾米至幾十米。44.空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)生、接收器結(jié)構(gòu)示意圖1—外殼2—金屬絲網(wǎng)罩3—錐形共振盤4—壓電晶體片

5—引腳6—阻抗匹配器7—超聲波束45.空氣超聲探頭〔續(xù)〕46.空氣超聲探頭外形47.空氣超聲探頭外形〔續(xù)〕48.9.2.5微波傳感器的應(yīng)用微波測(cè)濕技術(shù)的主要方法是單參量衰減法及反射法。即在自由空間中，根據(jù)被測(cè)材料吸收微波能量的大小與被測(cè)材料含水量間的關(guān)系，利用電磁波穿透或反射的測(cè)量方法，測(cè)得接收端微波的信號(hào)的衰減量或相移，進(jìn)而可得被測(cè)材料的含水量。1.微波濕度(水分)傳感器49.2023/12/1509.2.5微波傳感器的應(yīng)用1〕測(cè)試方法1：穿透式微波測(cè)濕傳感器1.微波濕度(水分)傳感器50.2023/12/1519.2.5微波傳感器的應(yīng)用2〕測(cè)試方法2：反射式微波測(cè)濕傳感器1.微波濕度(水分)傳感器51.2023/12/1529.2.5微波傳感器的應(yīng)用微波液位計(jì)的原理2.微波液位計(jì)52.2023/12/1539.2.5微波傳感器的應(yīng)用微波物位計(jì)的原理如下圖。當(dāng)被測(cè)物體位置較低時(shí)，發(fā)射天線發(fā)出的微波束全部由接收天線接收。經(jīng)檢波、放大與設(shè)定電壓比較后。發(fā)出物位正常信號(hào)。當(dāng)被測(cè)物位升高到天線所在高度時(shí)，微波信號(hào)能量的一局部將被物體吸收。另一局部將被反射，因此接收天線接收到的微波功率將相應(yīng)減弱，這樣接受到的信號(hào)在與設(shè)定電壓比較時(shí)，將會(huì)低于設(shè)定電壓值，因此電壓比較器將會(huì)發(fā)出被測(cè)物體位置高出設(shè)定物位的信號(hào)。3.微波物位計(jì)53.2023/12/1549.