超声波传感器 课件 .pdf
第8章超声波传感器
超声技术是一门以物理学、电子学、机械及材料科学为基础
的通用技术之一，主要涉及超声波的产生、传播和接收技术。超
声波具有聚束、定向及反射、散射、透射等特性。按超声振动辐
射大小不同大致可分为：功率超声和检测超声。功率超声是指利
用超声波使物体或物件发生变化的功率应用；检测超声是指利用
超声波获取若干信息。无论是功率超声还是检测超声的应用，均
需借助于超声波传感器（即超声换能器或探头）来实现。
目前，超声波技术已经广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗
等各个工业部门，例如超声清洗、超声焊接、超声加工、超声检
测和超声医疗等方面，取得了良好的社会效益和经济效益。
8.1超声检测的物理基础
•振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率
在16～2×104Hz之间，人耳能听见的机械波称为声波；
低于16Hz的机械波称为次声波；高于2×104Hz的机械波
称为超声波；频率在3×108Hz～3×1011Hz之间的波称
为微波。波的频率界限如图8-1所示。
•图8-1声波的频率界限
次声波声波超声波微波
音乐
语言探测
1234567
10101010101010f/Hz
8.1.1超声波的波形及其传播速度
•根据声源在介质中的施力方向与波在介质中传播方向
的不同，可将声波分成以下三种类型：
•1）纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波。
纵波能在固体、液体和气体介质中传播。
•2）横波：质点振动方向垂直于波的传播方向的波。
横波只能在固体介质中传播。
•3）表面波：质点的振动介于横波和纵波之间，沿着
介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波。表面
波的轨迹是椭圆形，质点位移的长轴垂直于传播方向，短
轴平行于传播方向。表面波只能在固体的表面传播。
•超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。由于气体
和液体的剪切模量为零，故超声波在气体和液体中没有横
波和表面波，只能传播纵波。气体中的声速为344m/s、
液体中的声速在900～1900m/s。在固体中，纵波、横波
和表面波的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵
波声速的一半，表面波声速约为横波声速的90%。
8.1.2超声波的物理性质
•当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的
分界面上，一部分能量反射回原介质，称为反射波；另一
部分能量透射过界面，在另一个介质内部继续传播，称为
折射波。如图8-2所示。
入射波反射波
介质1介质分界面
介质2
折射波
图8-2波的反射与折射
•1）反射定律
•入射角与反射角的正弦之比等于入射波速度与反射波
的速度之比，即
sinc
1
sinc（8-1）
2
•如果反射波与入