第七章超声波传感器

上海电机学院 电气学院 1 第七章 超声波传感器 课题：超声波传感器的原理及应用 课时安排：2 课次编号：11 教材分析 难点： 无损探伤 重点： 超声波传感器的应用 教学目的和要求 1、了解超声波的物理基础； 2、掌握纵波探伤的计算； 4、了解无损探伤的原理。 采用教学方法和实施步骤： 讲授、课堂互动、分析 教具：各种超声波传感器 各教学环节和内容 演示： 做以下的实验： 将超声波换能器浸入透明的杯子中，可以看到水受到强烈的振动，形成喷泉和水雾。 结论：超声波的方向性强，能量集中。 第一节 超声波物理基础 一、声波的本质和分类 声波是一种机械波。 1．可闻声波：振动频率在 20Hz～20kHz 的范围内，可为人耳所感觉 2．次声波：振动频率在 20Hz 以下人耳无法感知，但许多动物却能感受到。比如地震发生前的次声波就会引起许多动物的异常反应。 3．超声波：振动频率高于 20kHz 的机械振动波 超声波的特点：指向性好，能量集中，穿透本领大，在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。 超声波的特性与频率的关系：频率越高，其声场指向性就愈好，与光波的反射、折散特性就越接近。 二、超声波的传播方式 超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。 三、声速、波长与指向性 （1）声速 声波的传播速度取决于介质的弹性系数、介质的密度以及声阻抗。几种常用材料的声速与密度、声阻抗的关系如表 7-1 所示。 表7-1 常用材料的密度、声阻抗与声速（环境温度为0℃） 材料 密度 声阻抗 纵波声速 横波声速 ρ/103kg·m-1 z/10MPa·s-1 cL/km·s-1 cS/km·s-1 钢 7.8 46 5.9 3.23 铝 2.7 17 6.3 3.1 铜 8.9 42 4.7 2.1 有机玻璃 1.18 3.2 2.7 1.2 甘油 1.26 2.4 1.9 --- 水（20℃） 1.0 1.48 1.48 --- 上海电机学院 电气学院 2 油 0.9 1.28 1.4 --- 空气 0.0012 0.0004 0.34 --- 分析表7-1：多数情况下，密度和声阻抗越大，声速越快。 第二节 超声波换能器及耦合技术 超声波换能器有时又称超声波探头。超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。由于其结构不同，换能器又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、空气传导探头以及其他专用探头等，超声波探头结构示意图如图 7-5...