《傳感器應用技術(shù)》課程5-2超聲波傳感器5-2-1超聲波的特性12超聲波的波型及其傳播速度超聲波的反射和折射目錄《傳感器應用技術(shù)》3超聲波的衰減超聲波及其物理性質(zhì)《傳感器應用技術(shù)》波（動）：振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動。

頻率：次聲波、聲波、超聲波、微波次聲波：低于16Hz的機械波；聲波：其頻率在16~2×104Hz之間，能為人耳所聞的機械波；超聲波：高于2×104Hz的機械波；微波：頻率在3×108~3×1011Hz之間的波；超聲波的波型及其傳播速度《傳感器應用技術(shù)》縱波：質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向一致。（固、液、氣）橫波：質(zhì)點的振動方向垂直于波的傳播方向。（固）表面波：質(zhì)點的振動介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑ィ穹S深度增加而迅速衰減。（固體表面）

當超聲波由一種介質(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，在介質(zhì)界面上會產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。《傳感器應用技術(shù)》超聲波的傳播速度

取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)的密度，與自身頻率無關。

在固體介質(zhì)中，縱波、橫波、表面波三者的聲速分別為E—楊氏模量；—泊松比；G—剪切彈性模量。

在氣體和液體中，由于不存在剪切應力僅有縱波的傳播，其傳播速度c為ρ——介質(zhì)的密度；Bn——絕對壓縮系數(shù)。縱波橫波表面波超聲波的波型及其傳播速度《傳感器應用技術(shù)》超聲波的傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關。以水為例，當蒸餾水溫度在0～74℃時，聲速隨溫度的升高而增加，在74℃時達到最大值，大于74℃后，聲速隨溫度的增加而減小。此外，水質(zhì)、壓強等也會引起聲速的變化。在固體中，縱波、橫波及表面波三者的聲速間有一定的關系：通?？烧J為橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波聲速的90%。氣體中縱波聲速為344m/s，液體中縱波聲速為900～1900m/s。超聲波的波型及其傳播速度《傳感器應用技術(shù)》表10～100℃范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化超聲波的波型及其傳播速度超聲波的反射和折射《傳感器應用技術(shù)》當波速一致時入射波′界面介質(zhì)1介質(zhì)2反射波折射波（2）折射定律c1—入射聲波速,c2—折射聲波速（1）反射定律《傳感器應用技術(shù)》I0,Ir,It——分別為入射波、反射波、透射波的聲強；ρ1c1、ρ2c2——分別為兩介質(zhì)的聲阻抗。聲波的反射系數(shù)和透射系數(shù)可分別由如下兩式求得:超聲波的反射和折射《傳感器應用技術(shù)》當超聲波垂直入射界面，即α=β=0時，則若ρ2c2≈ρ1c1，R≈0，T≈1，此時聲波幾乎沒有反射，全部從第一介質(zhì)透射入第二介質(zhì)；若ρ2c2>>ρ1c1,R≈1，則聲波幾乎全反射，透射極少。當ρ1c1>>ρ2c2，R≈1，聲波幾乎全反射。在20℃水溫時，故超聲波從水介質(zhì)中傳播至水氣界面時，將發(fā)生全反射。超聲波的反射和折射《傳感器應用技術(shù)》L1界面介質(zhì)1介質(zhì)22L1L2S1S2L—入射縱波；

L1

—反射縱波；L2

—折射縱波

S1

—反射橫波；S2—折射橫波。(3)波型轉(zhuǎn)換當聲波以某一角度入射到第二介質(zhì)（固體）的界面上時,除有縱波的反射、折射以外，還會發(fā)生橫波的反射和折射

如果第二介質(zhì)為液體或氣體，則僅有縱波，而不會產(chǎn)生橫波和表面波。（1）縱波全反射：折射波中便只有橫波存在（2）橫波全反射：介質(zhì)的分界面上只傳播表面波。超聲波的反射和折射超聲波的衰減《傳感器應用技術(shù)》聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減。其聲壓和聲強的衰減規(guī)律為式中：Px、Ix——距聲源x處的聲壓和聲強；

x——聲波與聲源間的距離；

α——衰減系數(shù)，單位為Np/cm（奈培/厘米）。超聲波的衰減《傳感器應用技術(shù)》聲波衰減原因：擴散衰減：隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。散射衰減：超聲波在介質(zhì)中傳播時，固體介質(zhì)中顆粒界面或流體介質(zhì)中懸浮粒子使聲