基本原理及其特性
发布时间:2011/8/11 10:46:53 访问次数:1073
1.超声波及其物理性质
超声波和声波一样,是一种机械振动波,是机械振动在弹性介质中的传播过程。超过20kHz称为超声波,检测常用的超声波频率范围为几万赫兹到几十兆赫兹,如图6-52所示。
超声波的种类如下所述。
①纵波:质点振动方向与波的传播方向一致的波,能在固体、液体和气体介质申传播。
②横波:质点振动方向垂直于传播方向的波,只能在固体介质中传播。
③表面波:质点的振动介于横波与纵波之间,沿着介质表面传播,其振幅随深度增加而迅速衰减的波。表面波只在固体的表面传播。
超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中传播时,仅有纵波的传播,其传播速度c为
式中,p为介质的密度,玩为绝对压缩系数,都是温度的函数,使超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化。气体中纵波声速为344 m/s,液体中纵波声速为900~1900m/s。在固体中,纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系,通常可认为横波声速为纵波的一半,表面波声速为横波声速的90%。
由物理学知,当波在界面上产生反射时,入射角α的正弦与反射角 β的正弦之比等于波速之比,臣口sinα/sinβ=C1/C2。随着超声波在介质中传播距离的增加,由于介质吸收能量而使超声波强度有所衰减。
2.超声波传感器
利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置可称为超声波换能器、探测器或传感器。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,其中以压电式最为常见。
压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应来工作的。逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动,从而产生超声波,可作为发射探头;而正压电效应是将超声振动波转换成电信号,可作为接收探头。小功率超声探头多做探测用,有多种不同的结构。40kHz超声波探头如图6-53所示,型号为TCT40-2F(发射器)和TCT40-2S(接收器),两者外形相同。
超声波传感器的主要性能指标如下。
(1)工作频率
工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到晶片两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时,输出的能量最大,灵敏度也最高。
(2)工作温度
由于压电材料的居里点一般比较高,特别是诊断用超声波探头的使用功率较小,所以工作温度比较低,可以长时间地工作而不失效。
(3)灵敏度
灵敏度主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大,灵敏度高;反之,灵敏度低。
1.超声波及其物理性质
超声波和声波一样,是一种机械振动波,是机械振动在弹性介质中的传播过程。超过20kHz称为超声波,检测常用的超声波频率范围为几万赫兹到几十兆赫兹,如图6-52所示。
超声波的种类如下所述。
①纵波:质点振动方向与波的传播方向一致的波,能在固体、液体和气体介质申传播。
②横波:质点振动方向垂直于传播方向的波,只能在固体介质中传播。
③表面波:质点的振动介于横波与纵波之间,沿着介质表面传播,其振幅随深度增加而迅速衰减的波。表面波只在固体的表面传播。
超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中传播时,仅有纵波的传播,其传播速度c为
式中,p为介质的密度,玩为绝对压缩系数,都是温度的函数,使超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化。气体中纵波声速为344 m/s,液体中纵波声速为900~1900m/s。在固体中,纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系,通常可认为横波声速为纵波的一半,表面波声速为横波声速的90%。
由物理学知,当波在界面上产生反射时,入射角α的正弦与反射角 β的正弦之比等于波速之比,臣口sinα/sinβ=C1/C2。随着超声波在介质中传播距离的增加,由于介质吸收能量而使超声波强度有所衰减。
2.超声波传感器
利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置可称为超声波换能器、探测器或传感器。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,其中以压电式最为常见。
压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应来工作的。逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动,从而产生超声波,可作为发射探头;而正压电效应是将超声振动波转换成电信号,可作为接收探头。小功率超声探头多做探测用,有多种不同的结构。40kHz超声波探头如图6-53所示,型号为TCT40-2F(发射器)和TCT40-2S(接收器),两者外形相同。
超声波传感器的主要性能指标如下。
(1)工作频率
工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到晶片两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时,输出的能量最大,灵敏度也最高。
(2)工作温度
由于压电材料的居里点一般比较高,特别是诊断用超声波探头的使用功率较小,所以工作温度比较低,可以长时间地工作而不失效。
(3)灵敏度
灵敏度主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大,灵敏度高;反之,灵敏度低。
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