1. 超声波基本概念

1.1 声波的频率与分类

❑ 声波是声音的传播形式。声波是一种机械波，由物体振动产生，借助各种介质向四面八方传播。
❑ 按声波的频率，声波分为次声波、可闻声波和超声波。
❖ 频率在20Hz以下的声波称为次声波；
❖ 频率在20kHz以上的声波称为超声波；
❖ 20Hz~20kHz频率范围的声音是人耳可听到的声音称为可闻声波。

声波的波形分类：纵波、横波、表面波。

• 纵波：振动方向和波的传播方向一致。能在固体、液体和气体中传播。
• 横波：振动方向和波的传播方向垂直。只能在固体中传播。
• 表面波：能量集中于表面附近的弹性波。地震学、天文学、雷达通信及广播电视中的信号处理、航空航天、石油勘探和无损检测等。

1.2 超声波的波速和波长

    声波的传播速度取决于介质的密度及声阻抗。
    声阻抗是描述介质传播声波特性的一个物理量。介质的声阻抗等于介质的密度和声速的乘积：    声波的传播速度还与温度有关，考虑到环境温度对超声波传播速度的影响，通过温度补偿的方法对传播速度予以校正。以空气而言，其计算公式为:    温度越高,声速越快。
    超声波的波长等于声速除以频率，即。超声波在各种介质中的传播速度有所不同，远低于电磁波的传播速度(3×10⁸m/s)。其波长短时与普通光类似，小型声源可得到锐方向性的波束，方位分辨率也很高。
    若超声波垂直入射在两种声阻抗不同的分界面上，则要产生反射波与透射波，反射率=反射波声压/入射波声压。超声波对于空气与液体、空气与固体间的反射率为100%。

1.3 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, 指向角（单位为）与超声源的直径D以及波长λ之间的关系为：

1.4 超声波的反射和折射

反射定律当波速一致时，
折射定律—入射声波速； —折射声波速

1.5 超声波的衰减

1.6 超声波产生的效应

    超声波在超声场中传播时,会对超声场产生如下几种效应。

• 机械效应。超声波在传播过程中,会引起介质质点交替地压缩与伸 张,构成了压力的变化,这种压力的变化将引起机械效应。
• 空化效应。液体中的微气泡(空化核)在声场的作用下振动,当声压达 到一定值时,气泡将迅速膨胀,突然闭合时产生冲击波。
• 热效应。超声波的振动会使介质产生强烈的高频振荡,介质间相互 摩擦而发热,这种能量会使液体、固体的温度升高。

2. 超声波传感器原理及传感器分类

2.1 超声波传感器原理

    超声波传感器主要由发射器、接收器和控制部分等构成，也称超声波探头、超声波换能器，发射器和接收器用于超声波的发射与接收。
    按工作原理分类，超声波传感器分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等形式。其中，压电式换能器最为常见，材料主要是压电晶体和压电陶瓷。目前，铁电陶瓷是应用最广泛的带压电效应的材料。

2.2 压电式超声波传感器

工作原理：在压电材料切片上施加交变电压，使其产生电致伸缩振动，而产生超声波。