第十章波式和射线式
传感器;引言;;10.1超声波及其物理性质;图10-1声波的频率界限图;超声波的波型及其传播速度
声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同。通常有：
①纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播；
②横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它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，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波的传播，其传播速度c为;0～100℃范围内蒸馏水声速随温度的变化;从表可见，蒸馏水温度在0～100℃范围内，声速随温度的变化而变化，在74℃时达到最大值，大于74℃后，声速随温度的增加而减小。此外，水质、压强也会引起声速的变化。
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%。气体中纵波声速为344m/s，液体中纵波声速在900～1900m/s。;超声波的反射和折射
声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质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。这样的两种情况称之为声波的反射和折射。;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α′的正弦之比等于波速之比。当波在界面处产生折射时，入射角α的正弦与折射角β的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即;声波的反射系数和透射系数可分别由如下两式求得:;当超声波垂直入射界面，即α=β=0时，则;超声波的声速和波长
（1）声速
纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性系数、介质的密度以及声阻抗。
介质的声阻抗Z等于介质的密度ρ和声速c的乘积，即
Z=ρc;常用材料的密度、声阻抗与声速（0℃）;超声波的指向性
超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐向外扩散。在声束横截面的中心轴线上，超声波最强，且随着扩散角度的增大而减小。;指向角θ与超声源的直径D、以及波长λ之间的关系为
sinθ=1.22λ/D
设超声源的直径D=20mm，射入钢板的超声波（纵波）频率为5MHz，则根据式（可得θ=4o，可见该超声波的指向性是十分尖锐的。;超声波的衰减
声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为;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衰减，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。
散射衰减是指超声波在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能不再沿原来传播方向运动，而形成散射。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、介质的性质和散射粒子的性质有关。
吸收衰减是由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损耗。;10.2超声波传感器;超声波探头主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。压电晶片多为圆板形，厚度为δ。超声波频率f与其厚度δ成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。阻尼块的作用是降低晶片的机械品质，吸收声能量。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，使分辨率变差。;双晶直探头;斜探头;聚焦探头;箔式探头;空气传导型探头;1—外壳2—金属丝网罩3—锥形共振盘4—压电晶体片
5—引脚6—阻抗匹配器7—超声波束;超声波探头耦合剂;10.3超声波传感器应用;几种超声物位传感器的结构原理示意图
(a)超声波在液体中传播；(b)超声波在空气中传播;对于单换能器来说，超声波从发射器到液面，又从液面反射到换能器的时间为;对于双换能器，超声波从发射到接收经过的路程为2s，而;超声波流量传感器
超声波流量传感器的测定方法是多样的，如传播速度变化法、波速移动法、多卜勒效应法、流动听声法等。但目