第一节 超声波及其物理性质
一 声波、超声波及应用
人耳听见的声波（机械波），频率在20Hz~20kHz的范围内时，称为可闻声波。低于20Hz的机械振动人耳不可闻，称为次声波。频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术；超声波技术通过超声波的产生——传播——接收，几个物理过程完成。超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是不透光的固体能穿透几十米；当超声波从一种介质入射到另一种介质时，在界面上会产生反射、折射和波形转换；由于超声波的这些特性，使它在检测技术中获得广泛应用。如：超声波测距、测厚、测流量、无损探伤、超声成像等等。超声波为直线传播方式，频率越高绕射越弱，但反射能力越强，利用这种性质可以制成超声波测距传感器。超声波在空气中传播速度较慢，为340m/s，这一特点使得超声波应用变得非常简单，可以通过测量波的传播时间，测量距离、厚度等。 二 超声波的声速、波长、指向性和分类
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。介质的声阻抗等于介质的密度和声速的乘积。常用介质材料的密度、声阻抗与声速如表8-1所示。
（8-1）
lrx
①纵波声速：
（细棒）
（8-2）
（薄板）
（8-3）
圆机罗纹
（无限大介质） （8-4）
②横波声速：
（无限大介质） （8-5）
③表面波声速：
（8-6）
在上列各式中，——杨氏弹性模量；——密度；——泊松比；煤矿井下用绞车——体积弹性模量；——剪切弹性模量。将式（8-5）比（8-4）得，。因此，在固体中，横波的声速约是纵波的一半。
2 波长 超声波的波长与频率的乘积恒等于声速，即
(8-7)
3 指向性 超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐向外扩散。指向角θ 与超声源
的直径D、以及波长λ之间的关系为：
无线视频服务器 (8-8)
4超声波的波型 有纵波，横波，表面波（亦称瑞利波）和兰姆波。
三 超声波的传播特性
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，它是由与介质相接触的振荡源所引起的。设有某种弹性介质及振荡源，如图8-1所示。振荡源在介质中可产生两种形式的振荡，即横向振荡如图8-1a)所示和纵向振荡如图8-1b)所示。横向振荡只能在固体中产生，而纵向振荡可在固体、液体和气体中产生。为了测量在各种状态下的物理量多数采用纵向振荡。超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关。对于液体及气体，其传播的速度为：
（8-9）
式中，为介质的密度；Bg为绝对压缩系数。
在固体中的传播速度为，式中，E为固体的弹性模量；为泊松比。
1 超声波的一种传播特性是在通过两种不同的介质时，产生折射和反射现象，如图8-2所示。图中具有下列关系：
（8-10）
式中，c1、c2分别为超声波在介质I和介质精细雾化喷嘴II中的速度；为入射角；为折射角。
设为临界入射角，当时，则
（8-11）
当时，则只产生反射波。
2 超声波的另一种传播特性是在通过同种介质时，随着传播距离的增加，其强度因介质吸收能量而减弱。设超声波进入介质时的强度为I0，通过介质后在距离声源d处的强度为I，则有
（8-12）
式中，d为介质的厚度；A为介质对超声波能量的吸收系数。
对于液体介质，超声波能量的吸收系数为：
（8-13）
式中，f为超声波频率；c为超声波速度；为介质粘度；为导热系数；K＝cp/c静压主轴v和外为恒压及恒容积情况下的热容量。
对于固体介质，超声波能量的吸收系数为：
（8-14）
式中，为介质的质量因数。介质的吸收程度与频率与介质密度有很大关系。气体很小，故超声波在其中衰减很快，尤其在f较高时衰减更快。故超声波仪表主要用于固体及液体中。
一 超声波换能器
以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波换能器，或者超声波探头。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波，小功率超声探头多作探测作用。超声波探头按其工作原理可分为：压电式、磁致伸缩式、电磁式等，在检测技术中以压电式最为常用。从结构分：直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、空气传导探头以及其它专用探头等 。 1 以固体为传导介质的超声探头
（1）单晶直探头 超声波的发射和接收虽然均是利用同一块晶片，但时间上有先后之分，所以单晶直探头是处于分时工作状态，必须用电子开关来切换这两种不同的状态。
（2）双晶直探头 它是由两个单晶探头组合而成，装配在同一壳体内。其中一片晶片发射超声波，另一片晶片接收超声波。
（3）斜探头 当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，折射角可通过计算求得。
（4）聚焦探头 聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波。
（5）箔式探头 利用聚偏二氟乙烯（PVDF）高分子薄膜，制作出的薄膜式探头称为箔式探头。
2 以空气为传导介质的超声探头
此类超声探头的发射换能器和接收换能器一般是分开设置的，两者结构也略有不同。
3 耦合剂
耦合剂是用来排除探头和被测物体之间的空气，使超声波能有效地穿入工件达到检测目的。如果选择种类或使用方法不当，将造成误差或耦合标志闪烁，无法测量。因根据使用
情况选择合适的种类，当使用在光滑材料表面时，可以使用低粘度的耦合剂；当使用在粗糙表面、垂直表面及顶表面时，应使用粘度高的耦合剂。高温工件应选用高温耦合剂。其次，耦合剂应适量使用，涂抹均匀，一般应将耦合剂涂在被测材料的表面，但当测量温度较高时，耦合剂应涂在探头上。常用的耦合剂有水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。有时为了减少耦合剂的成本，还可在单晶直探头、双晶直探头或斜探头的侧面，加工一个自来水接口。
二 超声波发生器
1 压电式超声波发生器
压电片
超声波
图8-3压电式超声波发生器
压电式超声波发生器就是利用压电晶体的电致伸缩现象制成的。常用的压电材料为石英晶
体、锆钛酸铅压电陶瓷等。在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波，如图8-3所示。压电材料的固有频率f与晶体片厚度d有关，即
（8-15）
式中，n=1，2，3，…是谐波的级数；c为波在压电材料里的传播速度(纵波)：
（8-16）
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