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第四章 超声波传感器 本章主要学习超声波的物理特性，着重了解超声波在检测技术中的一些应用，也涉及无损探伤的设备及方法。 概述： 声波的分类1.次声波 2.可闻声波 3.超声波 蝙蝠依靠超声波捕食 压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下，可得到较大功率的超声波，可以被聚焦。利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。能用于集成电路及塑料的焊接。 超声波金丝焊接机 超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。 超声波在医学检查中的应用 胎儿的 B超影像 超声波用于高效清洗 超声波清洗机原理主要是通过换能器，将功率超声频源的声能转换成机械振动，通过清洗槽壁将超声波辐射到槽子中的清洗液。由于受到超声波的辐射，使槽内液体中的微气泡能够在声波的作用下从而保持振动。 当声压或者声强受到压力到达一定程度时候，气泡就会迅速膨胀，然后又突然闭合。在这段过程中，气泡闭合的瞬间产生冲击波，使气泡周围产生1012-1013Pa的压力及局调温，这种超声波空化所产生的巨大压力能破坏不溶性污物而使他们分化于溶液中。 超声波清洗原理及清洗器（参考湖南省浏阳市医用仪具厂 、北京德泰隆科技发展有限责任公司资料） 超声换能器 第一节 超声波物理基础 频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。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，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。 超声波的波型分类 超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。 横波： 表面波是当固体介质表面受到交替变化的表面张力作用时，质点作相应的纵横向复合振动；此时，质点振动所引起的波动传播只在固体介质表面进行，故称表面波。表面波是横波和纵波的复合， 属于机械波。 ?第二节 超声波换能器及耦合技术 超声波换能器又称超声波探头。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。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。 各种超声波探头 （以下参考常州市常超检测设备有限公司资料） 接触式 直探头原理 超声脉冲电压输入端 接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头） 压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30?、45?等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波将产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，可产生多次反射，而传播到较远处去。 各种接触式斜探头 常用频率范围：1~5MHz 接触法双晶直探头 各种双晶直探头 焦距范围：5~40mm, 频率范围：2.5~5MHz，钢中折射角：45? ~70? 接触法双晶斜探头（续） 水浸探头（是一种单晶纵波探头，带有一个在声学特性上与水相配的 1/4波长的层。这种探头是为使超声波在部分或全部浸在水中的被测工件中传播而特别设计的。） 选择声透镜形状，可决定聚焦形式为点聚焦或线聚焦。 聚焦探头 由于超声波的波长很短（毫米数量级），所以它也类似光波，可以被聚焦成十分细的声束，其直径可小到1mm左右，可以分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头。 聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波；也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜；也可以利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。 聚焦探头原理及外形 应用 ??自动扫查。 ??在线厚度测量。 ??高速探测管道、棒材、管件、平板及其它类似部件中的缺陷。 ??穿透检测。 ??材料分析及声速测量。 超声波探头中的压电陶瓷芯片 压电陶瓷的主要性能指标 1) 介电常数 ：1000~6000 2) 压电灵敏度D33 ：300~600pC/N 3) 机械品质因素Q：100~2000 4) 居里温度：300~400? C 5）静电容：1000 ~ 100000pF（与面积有关） 6）频率范围： 用于超声清洗：30~100KHz 用于探伤仪及流量计：2.5~5MHz 用于雾化器：1~2MHz 耦合剂 超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间