第5章声学传感器

第五章声学量传感器5.1技术基础定义：声学量传感器是能感受声学量并转换成可用输出信号的传感器。

表5-1声学量传感器类型表传感器类型说明声压传感器感受声压并转换成可用输出信号噪声传感器感受噪声并转换成可用输出信号超声[波]传感器感受超声波并转换成可用输出信号微型麦克风用微加工技术制造的可以把声信号转换成电信号的传感器一、声波的基本性质1.声波的类型⑴声波：20Hz~20KHz之间的机械波能为人耳所闻，称为声波。⑵次声波：低于20Hz的机械波称为次声波。⑶超声波：高于20KHz（2×10）的机械波称为超声波。2.波型⑴纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致。⑵横波。质点的振动方向垂直与波的传播方向。⑶表面波。质点的振动介于纵波和横波之间，其振动的轨迹是椭圆形，长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向。3.传播速度⑴气体和液体介质式中K——介质的弹性模量ρ-----介质的密度⑵固体介质E----固体介质的杨氏模量μ---固体介质的波松比G----固体介质的剪切弹性模量ρ---介质的密度二、声波的特性参数1.声压及声阻抗⑴声压：由于声波作用而产生的压强叫“声压”。 式中：ρ为空气密度；V为声速；U为空气质点的振动速度。单位：牛顿/米2，又称帕⑵声阻抗 Z=ρ×V 式中：ρ为空气密度；V为声速。单位：当ρ的单位是g/cm3时，声阻抗的单位是瑞利。2.声功率及声强⑴声功率声功率是指声源在单位时间内向外辐射的声能，记为W，单位为瓦（W)或微瓦（μW）。连续超声波：声功率一般在几毫瓦～几十千瓦范围。脉冲超声波：声功率为几分之一毫瓦～几兆瓦。

⑵声强在单位时间内，在垂直于声波传播方向的单位面积上所通过的声能，记为I。I＝W/S 式中：S为声能所通过的面积（㎡）；W为声功率。3.声波的反射和折射当超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上将发生反射和折射，并满足波的反射定律和折射定律。4.声波的衰减超声波在一种介质中传播时，随着距离的增加，能量逐渐衰减。5.2超声波传感器5.2.1超声检测技术一、超声波的物理效应1.空化效应空化现象：2.机械效应超声波在传播的过程中，会引起介质质点交替地压缩和扩张，构成了压力的变化，这种压力变化将引起机械效应。X=Asinωt二、超声技术的应用1.超声加工处理技术⑴是超声波的功率应用⑵利用某种超声效应⑶着重一些描述声场强弱的物理量2.超声检测技术⑴应用声速测量⑵声衰减⑶声阻抗5.2.2超声波传感器的原理一、压电型超声波传感器

式中：E为压电片沿x轴方向的弹性模量；为压电片的密度。例石英晶体：

若选择石英晶片的厚度为1mm，则其自然振动频率为2.87MHz。三、超声波传感器特征1.超声波频率

C=fλ超声波频率在很大程度上决定了超声波对缺陷的探测能力频率越高，其：⑴波长短，声束窄，扩张角小，能量集中。因而发现小缺陷能力强，分辨率高，缺陷定位准确。⑵散射大，衰减显著，穿透力弱。同时回波形状复杂，使得信噪比降低。因此在检测粗糙面时，应选择低频率。⑶反射性强。如果波不是近于垂直地射到裂面上，在检测方向上就不能产生足够大的回波。频率越高这种现象越显著。⑷扫描空间小，仅能发现声束轴线附近的缺陷。脉冲接触法常用的频率范围频率范围应用25~100KHz混凝土、岩石等粗结构材料200K~1MHz灰口铁、可锻铸铁等相当粗的材料400K~5M钢、吕、黄铜等细晶粒材料200K~2.25M塑料2.25~10MHz管、型材等有色金属1~10M维修检测，特别是疲劳裂纹2.型号标识基本频率→晶片材料→晶片尺寸→探头种类→特征其中：晶片材料：用缩写符号P锆钛酸铅B钛酸钡T钛酸铅探头种类：Z直探头K斜探头特征：探头的几何特征5.2.3超声波在检测中的应用一、超声波物位计传感器举例：德国E+H公司的