Fundamentalsofultrasound,ultrasonicprobesandcoupling同學(xué)們，本節(jié)課我們一起來學(xué)習(xí)超聲波的基本原理。超聲波的基本原理、超聲波探頭與耦合超聲波的基本原理、超聲波探頭與耦合流量及流速檢測超聲波超聲波是頻率超過人耳聽覺頻率極限(大約為20kHz)機(jī)械波的總稱，頻率超過人耳聽覺頻率極限機(jī)械波的總稱20kHz氣體液體固體超聲波在標(biāo)準(zhǔn)條件下空氣中的速度大約是340m/s，在水中的速度為1440m/s。340m/s1440m/s超聲波空氣的測距標(biāo)準(zhǔn)頻率——20kHz高頻率的聲波有較好的指向性發(fā)散度比較大由于高頻超聲波在空氣中的發(fā)散和吸收散射衰減，超聲波測距一般都限制在短距離(幾十米以內(nèi))。高頻超聲波發(fā)散和吸收散射衰減測距限制在短距離(幾十米以內(nèi))由于聲波在水中的吸收散射衰減要小得多，吸收散射衰減小得多方向性更好頻率更高測量范圍可達(dá)千米的量級1.超聲波的頻率。振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動,簡稱波。1超聲波的頻率波振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播——波動頻率在20Hz～20kHz之間,人耳所能聽到的機(jī)械波稱為聲波；20Hz～20kHz聲波低于20Hz高于20kHz聲波頻率的界限劃分如圖4-3-1所示。圖4-3-1聲波頻率的界限劃分當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時,由于在兩種介質(zhì)中傳播速度不同,因此在介質(zhì)表面會產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。在兩種介質(zhì)中傳播速度不同反射折射波形轉(zhuǎn)換2.超聲波的波形由于聲源在介質(zhì)中的施力方向與波在介質(zhì)中的傳播方向不同,因此聲波的波形也不同。2超聲波的波形聲源在介質(zhì)中的施力方向與波在介質(zhì)中的傳播方向不同聲波的波形不同超聲波的波形通常有以下幾種。①縱波：質(zhì)點(diǎn)振動方向與波的傳播方向一致的波。超聲波的波形種類①縱波質(zhì)點(diǎn)振動方向波的傳播方向②橫波：質(zhì)點(diǎn)振動方向垂直于傳播方向的波。②橫波質(zhì)點(diǎn)振動方向波的傳播方向③表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動介于橫波與縱波之間,沿著表面?zhèn)鞑サ牟ā＂郾砻娌ㄙ|(zhì)點(diǎn)的振動介于橫波與縱波之間橫波只能在固體中傳播,縱波能在固體,液體和氣體中傳播,而表面波隨深度的增加衰減很快。固體固體、液體，氣體隨深度的增加衰減很快為了測量各種狀態(tài)下的物理量,多采用縱波。為了測量各種狀態(tài)下的物理量多采用縱波固體、液體，氣體3.超聲波的反射和折射超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一介質(zhì)時,在兩個介質(zhì)的分界面上一部分被反射回原介質(zhì),這部分稱為反射波；圖4-3-3超聲波的反射和折射3超聲波的反射和折射這樣的兩種情況分別稱之為聲波的反射和折射,如圖4-3-3所示。接下來，我們來看看超聲波探頭。超聲波探頭換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動頻率高波長短繞射現(xiàn)象小方向好成為射線而定向傳播以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。檢測手段超聲換能器超聲探頭超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。探測作用它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭(縱波)、斜探頭(橫波)、表面波探頭(表面波)、直探頭(縱波)斜探頭(橫波)表面波探頭(表面波)蘭姆波探頭(蘭姆波)雙探頭(反射\接收)其他專用探頭超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片，構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。超聲探頭的核心塑料外套或者金屬外套每個探頭的性能不同大小、直徑和厚度各不相同圖4-3-5是壓電式超聲波探頭的結(jié)構(gòu)圖,壓電式超聲波探頭主要由壓電晶片,吸收塊（阻尼塊）,保護(hù)膜等組成。圖4-3-5壓電式超聲波探頭的結(jié)構(gòu)圖壓電晶片多為圓形板,厚度為δ。超聲波頻率f與其厚度δ成反比。壓片晶體的兩面鍍有銀層,作為導(dǎo)電的極板。超聲波頻率f與其厚度δ成反比厚度：δ導(dǎo)電極板吸收塊的作用是降低晶片的機(jī)械品質(zhì),吸收聲能量。降低晶片的機(jī)械品質(zhì)吸收聲能量激勵電脈沖信號停止晶片繼續(xù)振蕩加長超聲波脈沖寬度分辨率變差沒有阻尼塊無論是直探頭還是斜探頭，一般不能直接將其放在被測介質(zhì)(特別是粗糙金屬)表面來回移動，以防磨損。不能直接將其放在被測介質(zhì)（特別是粗糙金屬）表面來回移動以防磨損超聲波的耦合更重要的是，由于超聲探頭與被測物體接觸時，在工件表面不平整的情況下，探頭與被測物體表面間必然存在一層空氣薄層。空氣薄層空氣的密度很小，將引起三個界面間強(qiáng)烈的雜亂反射波，造成干擾，而且空氣也將對超聲波造成很大的衰減?？諝獾拿芏群苄】諝鈱Τ暡ㄔ斐珊艽蟮乃p為此，必須將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能順利地入射到被測介質(zhì)中。在工業(yè)中，經(jīng)常使用一種稱為耦合劑的液體物質(zhì)，使之充滿在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。充滿在接觸層中傳遞超聲波耦合劑的厚度應(yīng)盡量薄一些，以減小耦合損耗。耦合劑的厚度應(yīng)盡量薄一些減小耦合損耗常用的耦合劑有時為了減少耦合劑的成本，還可在單晶直探頭、雙晶直探頭或斜探頭的側(cè)面，加工一個自來水接口。減少耦合劑的成本在使用時，自來水通過此孔壓入到保護(hù)膜和試件之間的空隙中。使用完畢，將水跡擦干即可，這種探頭稱為水沖探頭。水沖探頭耦合劑的作用可以歸納為以下3點(diǎn)：（1）具有排除換能器與工件之間的空氣，填充不平的凹坑和縫隙的功能，防止縫隙中的空氣影響超聲波的透射；耦合劑的作用排除換能器與工件之間的空氣填充不平的凹坑和縫隙防止縫隙中的空氣影響超聲波的透射1減小超聲波在界面上的反射聲能增加穿過工件的透射聲能2一定的粘度和流動性防止換能器在工件表面摩擦受損方便探頭在工件表面進(jìn)行移動3