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2 实训5-4
超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的、各行各业都要使用的通用技术之一，它是由超声波产生、传播及接受这几个物理过程实现的。目前，超声波技术广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等工业领域的超声探测、超声清洗、超声焊接、超声检测和超声医疗等方面。
1. 超声波及其物理性质
人们能听到的声音是由物体振动产生的，它的频率在20Hz~20kHz范围内，超过20kHz称为超声波，低于20Hz称为次声波。检测常用的超声波频率范围为几十kHz到几十MHz。如图5-47所示。
当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象。
超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关，也与环境条件有关。
由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波形也不同，通常有：①纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波；②横波：质点振动方向垂直于传播方向的波；③表面波：质点的振动介于横波和纵波之间，沿着表面传播的波。
横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体和气体中传播，表面波随深度增加衰减很快，为了测量各种状态下的物理量，多采用纵波。
纵波、横波及其表面波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质密度。气体中声速为344m/s，液体中声速在900 ~1900 m/s。
当纵波以某一角度入射到第二介质（固体）的界面上时，除有纵波的反射、折射外，还发生横波的反射和折射。在某种情况下，还能产生表面波。
声波从一种介质传播到另一种介质，在两个机制的分界面上一部分声波被反射，另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这两种情况分别称为声波的反射和折射，如图5-48所示。
声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能力逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收，在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波散射。吸收衰减是由介质的导热性、黏滞性及弹性滞后造成的，介质吸收声能并转换为热能。
2. 超声波传感器
（1）原理与结构
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课分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中压电式最常见。下面以压电式超声波传感器为例，说明其原理和结构。
压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。它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；而利用正压电效应，将超声振动波转换成电信号，可用于接收探头。
压电式超声波探头结果如图5-49所示，主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜等组成。压电晶片多为圆板形，厚度为。超声波频率f与其厚度
成反比。压电晶片的两面镀有银层，作为导电的极板。阻尼块的作用是降低晶片的机械品质，吸收声能力。如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨力变差。
（2）主要性能指标
①工作频率
工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它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。医疗用的超声波探头温度比较高，需要单独的制冷设备。
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。
（3）超声波传感器的应用
根据超声波的走向来看，超声波传感器的应用有两种基本类型。当超声波发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型；透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。当超声波发射器与接收器置于同侧时为反射型；反射型可用于接近开关、测距、测液位或料位、金属探伤以及测厚等。下面简要介绍超声波传感器在工业中的几种应用。
①超声波流量计
超声波流量传感器的测定原理是多样的，如传播速度变化法、波速移动法、多普勒效应法、流动听声法等，但目前应用较广的主要是超声波传输时间差法。
超声波在流体中传输时，在静止流体和流动流体中的传输速度是不同的，利用这一特点可以求出流体的速度，再根据管道流体的截面积，便可知道流体的流量。
②超声波测厚仪
超声波测厚，即进行厚度测量。当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。凡能使超声波以一恒定速度在其内部传播的各种材料均可采用此原理测量。
超声波测量工件的厚度常采用脉冲回波法，脉冲回波法测厚的工作原理如图5-52所示。超声波探头与被测物体表面接触。主控制器产生一定频率的脉冲信号，送往发射电路，经电流放大后激励压电式探头，以产生重复的超声波脉冲。脉冲波传到被测工件另一面被反射回来，被同一探头接收。如果超声波在工件中的声速v是已知的，设工件厚度为，脉冲波从发射到接收的时间间隔t可以测量，因此可求出工件厚度。
