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第09章 超声波传感器 （以及船用超声波测深仪） 声波在水中的传播 水声学在航海上的应用已越来越广，已逐步形成测深、测速、定位等水下导航系统。 超声波是声波的一种，它在海水介质中的传播性能是电磁波和光波无法取代的。 声波的物理特性 1．声源：振动的物体称为声源。 2．声波的定义： ①声波：质点振动的传播。 ②声波的频率f：每秒钟内质点振动的次数。 ③声波的波长λ：处在同一振动状态的两个相邻质点间的距离。 ④声波的传播速度C：每秒钟声波传播的距离。C = λ?f 声波的频率界限图 声波的物理特性 ⑤声波的种类： 纵波、横波、表面波 声波传播的特点 ①在水中为纵波；直线传播； ②同一介质中速度恒定，不同介质速度不同； ③会产生反射、折射、散射和绕射等物理现象； ④有传播损耗（扩散和衰减损耗，包括扩散、吸收和散射等）。 反射、折射 当波在界面处产生折射时，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 反射率、透射率 当超声波经过性质不同的介质交界面时，一部分会反射，其余的会穿透过去。这种反射或穿透的强度，由这两个交界介质的特性阻抗Z决定。 所谓特性阻抗即为介质的密度（ρ）与音速（c）的乘积。假设现在将超声波垂直地射入固有特性阻抗不同的交界面时，则音波的反射率γ可用下式表示： 由上式可知两种介质的特性阻抗差越大，反射率也就越大。超声波射入交界面除了部分反射外，其余的全部穿透过去，而超声波的穿透率T可以用下式表示： 声波在水中的传播速度 影响声波在海水中传播的因素 海水的介质密度ρ和弹性E并不是一个常数，它是随温度T、含盐量δ和静压力的不同而变化的，其中以温度的影响最为显著。 海水中声速经验公式 ①乌德公式： C = 1450 ＋ 4.206t － 0.0366t2 ＋ 1.137(δ － 35) ＋?…?…? 我国港口工程测量规范采用 ②威尔逊公式： C = 1449.2 ＋ 4.623t － 0.0546t2 ＋ 1.391(δ － 35) ＋?…?…? 国际上比较普遍采用 海水中声波的标准声速 声波在海水中的标准设计声速： 1500ｍ／ｓ（1450~1550ｍ／s） 一般的船用水声仪器均采用标准声速。 为了测量更精确，有些仪器设有温度和含盐量的调节机构或自动补偿电路。 在一般情况下，无需进行声速校正。 声波的传播损耗 声波在海水中传播过程中因反射、折射、散射和吸收等现象，使来自声源的能量随时间和空间的推移而逐渐地减弱，这种声能的减弱和损失的现象称为传播损耗。 传播损耗有两种：衰减损耗、扩散损耗 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 超声波传感器工作原理 超声波传感器由发送器和接收器两部分组成，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用，即为可逆元件。 专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器（接收器）既可发送超声波（接收超声波），又可接收超声波（发送超声波）。市售超声波传感器的谐振频率（中心频率）为23kHz，40kHz，75kHz，200kHz，400kHz等。 超声波发送器工作原理 它采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面接到一个电极端，下面接到另一个电极端。 双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着，这两处的支点就成为振子振动的节点。金属板的中心有圆锥形振子，发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，高效率地发送超声波；接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，高效应地产生高频电压。 超声波发送器工作原理 超声波发送器工作原理 若在发送器的双晶振子（谐振频率为40kHz）上施加40kHz的同频电压，压电陶瓷片a、b就根据所加的高频电压极性伸长与缩短，于是就发送40kHz频率的超声波。 超声波以疏密波形式传播，送给超声波接收器就被其接收。 超声波接收器工作原理 超声波接收器是利用压电效应的原理，产生一面为正极，另一面为负极的电压。若接收到发送器发送的超声波，振子就以发送超声波的频率进行振动，于是，就产生与超声波频率相同的高频电压，当然这种电压非常小，要用放大器进行放大。 超声波传感器工作原理示意图 电致伸缩式超声波传感器 超声波流量传感器 如果在流体中设置两个超声波传感器，它们既可以发射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 超声波流量传感器 超声波流量传感器 超声波流量传感器 物位、料