1、第五章第五章 聲學量傳感器聲學量傳感器5.1 技術基礎定義：定義： 聲學量傳感器是能感受聲學量并轉換成可聲學量傳感器是能感受聲學量并轉換成可用輸出信號的傳感器。用輸出信號的傳感器。 表表5-1 聲學量傳感器類型表聲學量傳感器類型表傳感器類型說明聲壓傳感器感受聲壓并轉換成可用輸出信號噪聲傳感器感受噪聲并轉換成可用輸出信號超聲波傳感器感受超聲波并轉換成可用輸出信號微型麥克風用微加工技術制造的可以把聲信號轉換成電信號的傳感器一、聲波的基本性質一、聲波的基本性質1.聲波的類型聲波：20Hz20KHz之間的機械波能為人耳所聞，稱為聲波 。次聲波：低于20Hz的機械波稱為次聲波。 超聲波：高于20KHz（

2、210）的機械波稱為超聲波。2.波型縱波：質點的振動方向與波的傳播方向一致。 橫波。質點的振動方向垂直與波的傳播方向。 表面波。質點的振動介于縱波和橫波之間，其振動的軌跡是橢圓形，長軸垂直于傳播方向，短軸平行于傳播方向。 3.傳播速度傳播速度=彈性率聲速密度氣體和液體介質式中 K介質的彈性模量 -介質的密度KV固體介質E-固體介質的楊氏模量-固體介質的波松比G-固體介質的剪切彈性模量-介質的密度E 1112E210.90.9VGVGVV縱橫表面橫（ ）（ ）（ ）（ ）二、聲波的特性參數二、聲波的特性參數1.聲壓及聲阻抗聲壓及聲阻抗聲壓：由于聲波作用而產生的壓強叫“聲壓”。 式中：為空氣密度；

3、V為聲速；U為空氣質點的振動速度。單位：牛頓/米2，又稱帕 P= VU聲阻抗 Z=V式中：為空氣密度；V為聲速。單位：當的單位是g/cm3時，聲阻抗的單位是瑞利。2.聲功率及聲強聲功率及聲強聲功率 聲功率是指聲源在單位時間內向外輻射的聲能，記為W，單位為瓦（W)或微瓦（W）。連續超聲波：聲功率一般在幾毫瓦幾十千瓦范圍。 脈沖超聲波：聲功率為幾分之一毫瓦幾兆瓦。 聲強 在單位時間內，在垂直于聲波傳播方向的單位面積上所通過的聲能，記為I。 IW/S式中：S為聲能所通過的面積（）；W為聲功率。 3.聲波的反射和折射聲波的反射和折射 當超聲波從一種介質傳播到另一種介質時，在兩介質的分界面上將發生反射和

4、折射，并滿足波的反射定律和折射定律 。12sinsinVV4.聲波的衰減聲波的衰減 超聲波在一種介質中傳播時，隨著距離的增加，能量逐漸衰減。 0 xPPe20 xII e5.2 超聲波傳感器5.2.1 超聲檢測技術一、超聲波的物理效應1.空化效應空化現象：4/33mmax0R()RPP2.機械效應 超聲波在傳播的過程中，會引起介質質點交替地壓縮和擴張，構成了壓力的變化，這種壓力變化將引起機械效應。 X=Asint二、超聲技術的應用1.超聲加工處理技術是超聲波的功率應用利用某種超聲效應著重一些描述聲場強弱的物理量2.超聲檢測技術應用聲速測量聲衰減聲阻抗5.2.2 超聲波傳感器的原理一、壓電型超聲

5、波傳感器 式中：E為壓電片沿x軸方向的彈性模量；為壓電片的密度。mhEtVf210dA例石英晶體： 若選擇石英晶片的厚度為1mm，則其自然振動頻率為2.87MHz。 12.87.2mEMHz mm三、 超聲波傳感器特征1.超聲波頻率 C=f超聲波頻率在很大程度上決定了超聲波對缺陷的探測能力頻率越高，其：波長短，聲束窄，擴張角小，能量集中。因而發現小缺陷能力強，分辨率高，缺陷定位準確。散射大，衰減顯著，穿透力弱。同時回波形狀復雜，使得信噪比降低。因此在檢測粗糙面時，應選擇低頻率。反射性強。如果波不是近于垂直地射到裂面上，在檢測方向上就不能產生足夠大的回波。頻率越高這種現象越顯著。掃描空間小，僅能發現聲束軸線附近的缺陷。 脈沖接觸法常用的頻率范圍頻率范圍 應用25100KHz 混凝土、巖石等粗結構材料200K1MHz 灰口鐵、可鍛鑄鐵等相當粗的材料400K5M 鋼、呂、黃銅等細晶粒材料200K2.25M 塑料2.2510MHz 管、型材等有色金屬110M 維修檢測，特別是疲勞裂紋2.型號標識基本頻率晶片材料晶片尺寸探頭種類特征其中：晶片材料：用縮寫符號 P鋯鈦酸鉛B鈦酸鋇T鈦酸鉛探頭種類：Z直探頭 K斜探頭特征：探頭的幾何特征5.2.3超聲波在檢測中的應用一、超聲波物位計傳感器舉