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1、第三章 超声波检测技术 绪言 发展迅速、应用广泛； 超声波检测已成为检测技术领域重要分支； 对于固体和液体良好的穿透性：决定了它的特 殊 地位，如海洋探测、固体内部探测； 无创性：可应用到无损探伤、医疗诊断； 非接触性：测速、测距、测温 超声检测有其独特和不可替代地位，也有着广泛的发展应用前景,第三章 超声波检测 3.1 超声波及其物理性质 3.2 超声波传感器 3.3 超声波传感器应用,3.1 超声波及其物理性质,3.1 超声波及其物理性质 振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。 声波： 频率在162104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波； 次声波：低于16 Hz的机械波； 超声波：高于2
2、104 Hz的机械波； 微波： 310831011 Hz之间的波。,图3-1 声波的频率界限图,当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。,3.1.1 超声波的波型及其传播速度 声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同。通常有： 纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播； 横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播； 表面波(瑞利波)：质点的振动介于横波与纵波之间(椭圆)，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减，表面波只在固体的表面传播。 板
3、波(兰母波) :质点的振动轨迹椭圆，只存在于仅1波长厚的板中,板的上下表面都有质点的振动. 不同波形传播速度不同.,E:弹性模量，：泊松比，：密度,3.1.2 超声波的反射和折射 声波从一种介质传播到另一种介质， 在两个介质的分界面上一部分声波被反射, 另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射，如图5-2所示。,图5-2 超声波的反射和折射,反射定律： 入射角的正弦与反射角的正弦之比等于波速之比。 折射定律：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c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即,声波的反射系数和透射系数：可分别由如下两式
4、求得:,Z=C.声阻抗 ( z=p/v),式中：I0, Ir, It分别为入射波、反射波、透射波的声强； 、分别为声波的入射角和折射角； 1c1、2c2分别为两介质的声阻抗，其中c1和c2分别为反射波和折射波的速度。,当超声波垂直入射界面，即=0时，则,由上述各式可知， 若2c21c1，则反射系数R0，透射系数T1，此时声波几乎没有反射，全部从第一介质透射入第二介质； 若2c21c1, 或1c1 2c2时,反射系数R1，则声波在界面上几乎全反射， T0,透射极少。 如：在20水温时，水的特性阻抗为1c1 =1.48106kg/(m2s), 空气的特性阻抗为2c2= 0.000 429106 k
5、g/(m2s), 1c1 2c2, 故超声波从水介质中传播至水气界面时， 将发生全反射。(T约0.17%),3.1.3 超声波的衰减 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、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为,式中：Px、Ix距声源x处的声压和声强； x声波与声源间的距离； 衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。,声波能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收 扩散: 即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。 散射:衰减是指超声波在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能不再沿原来传播方向运动，而形
6、成散射。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、 介质的性质和散射粒子的性质有关。 吸收:是由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损耗。,3.1.4 超声波的分辨率与指向性,距离向分辨率：是测距时所能分辨的最小距离。 主要取决与超声波的频率。 分辨率 提高频率可提高分辨率。 指向性（方位向分辨率）：能分辨的两物体间的最小间距 对应的波束角。 指向性与换能器的孔径及波长密切相关。 圆形活塞的指向性： 近场特性: 当 为远场,3.2 超声波传感器,超声波传感器： 用于产生和接收超声波的装置。 又可称为：超声波换能器、探测
7、器 超声波探头按工作原理可分为： 压电式、磁致伸缩式、电磁式等 压电式最为常用。 常用的材料是石英晶体和压电陶瓷 工作原理：逆压电效应：将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波。正压电效应：将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。 按传播介质可分为：气介式、液介式、固介式,气介式超声波换能器,弯曲振动式： 夹心式： 复合振动型：,超声波探头结构如图3-2所示，它主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。,图3-2 压电式超声波传感器结构,液（固）介式超声波探头,3.3 超声波传感器应用,3.3.1 超声波物位测量 利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性。由换能器发射超声脉
8、冲，遇到界面被反射回来,测量出超声波来回时间，就可以求出分界面的位置，实现物位进行测量。 根据发射和接收换能器的功能，传感器又可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波使用同一个换能器，而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。,图3-3给出了几种超声物位传感器的结构示意图。,图3-3几种超声物位传感器的结构原理示意图 (a) 超声波在液体中传播； (b) 超声波在空气中传播,对于单换能器来说， 超声波从发射器到液面， 又从液面反射到换能器的时间为t:,式中：h换能器距液面的距离； c超声波在介质中传播的速度。 关键是声速的校正 : 测温修正 标准距离修正,从以上公式中可
9、以看出，只要测得超声波脉冲从发射到接收的时间间隔，便可以求得待测的物位。 超声物位传感器具有精度高和使用寿命长的特点，但若液体中有气泡或液面发生波动，便会产生较大的误差。在一般使用条件下， 它的测量误差为0.1%，检测物位的范围为10-2104m。,3.3.2 超声波流量测量 超声波流量传感器的测定方法是多样的， 如传播速度变化法、波速移动法、多卜勒效应法等。但目前应用较广的主要是超声波传播时间差法。 超声波在流体中传播时，在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的，利用这一特点可以求出流体的速度，再根据管道流体的截面积， 便可知道流体的流量。,原理:在流体中设置两个超声波传感器，它们既可以发射
10、超声波又可以接收超声波，一个装在上游，一个装在下游，其距离为L, 如图所示。如设顺流方向的传播时间为t1，逆流方向的传播时间为t2，流体静止时的超声波传播速度为c，流体流动速度为v，则,一般来说，流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度， 因此超声波传播时间差为,由于cv, 从上式便可得到流体的流速， 即,图5-6 超声波传感器安装位置,管道流量计的安装方式,此时超声波的传输时间将由下式确定：,特点与应用 超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，可测的流体种类很多，不论是非导电的流体、 高粘度的流体，还是浆状流体， 只要能传输超声波的流体都可以进行测量。 超声波流量计可用来对自来水、工业用水
11、、 农业用水等进行测量。 还适用于下水道、 农业灌渠、河流等流速的测量。,3.3.3超声多谱勒流速流向测量,原理:超声波作用在水流中粒子上产生反射,由于相对声波的传播方向有相对运动,故产生多谱勒差频. 二维、三维流速测量：,3.3.4温度测量,1、超声细线式温度计 2、超声水温测量,3.3.5河床地形测量,1、回声仪 2、模型河床地形测量,5.3.4温度测量,3.3.6超声探伤,1、反射法 2、传导法,3.3.6医疗诊断,1、A超 采用反射回波原理 2、B超成像 探头:线阵,64阵元、阵元等 成像原理：若干阵元构成一个子阵，通过发射聚焦和接收聚焦，形成方向性很好的声束，改变子阵组合，形成多根精细的声束，逐根扫描，从而获得一幅完整的刨面图象。 3、多谱勒血流成像测量,3.3.合成孔径成像,
