1、本章介紹本章介紹超聲波的物理基礎超聲波的物理基礎，超聲超聲波換能器波換能器的的分類、結構，耦合技術分類、結構，耦合技術等，等，介紹超聲波在檢測技術中的應用，也涉介紹超聲波在檢測技術中的應用，也涉及及無損探傷無損探傷的原理、方法及設備。的原理、方法及設備。7.1 7.1 超聲波物理基礎超聲波物理基礎7.2 7.2 超聲波換能器及耦合技術超聲波換能器及耦合技術7.3 7.3 超聲波傳感器的應用超聲波傳感器的應用7.4 7.4 無損探傷無損探傷1、聲波的分類：聲波的分類：次聲波、可聞聲波與超聲波次聲波、可聞聲波與超聲波。頻率高于頻率高于20kHz的機械振動波稱為超聲波的機械振動波稱為超聲波。超聲波的

2、特性：超聲波的特性：指向性好，能量集中指向性好，能量集中。1MHz的的超聲波的能量超聲波的能量,相當于振幅相同相當于振幅相同,頻率為頻率為1000Hz可聞可聞聲波的聲波的100萬倍萬倍,能穿透幾米厚的鋼板能穿透幾米厚的鋼板,而能量損失不而能量損失不大。大。但但在遇到兩種介質的分界面在遇到兩種介質的分界面,能產生明顯的反射能產生明顯的反射和折射現象和折射現象。次聲波是頻率低于次聲波是頻率低于20赫茲的聲波，人耳聽不到，赫茲的聲波，人耳聽不到，但可與人體器官發生但可與人體器官發生共振共振，8Hz左右的次聲波會引起人左右的次聲波會引起人的恐怖感，動作不協調，甚至導致心臟停止跳動。的恐怖感，動作不協調

3、，甚至導致心臟停止跳動。如果用如果用音樂領域中音樂領域中的頻段來劃的頻段來劃分，可以分分，可以分為低音和中為低音和中音以及高音音以及高音。 蝙蝠能蝙蝠能發出和接收發出和接收超聲波。超聲波。頻率高于頻率高于20kHz的機械振動波稱為的機械振動波稱為超聲波超聲波。它的特性它的特性指向性很好，能量集中，因此穿透本領指向性很好，能量集中，因此穿透本領大大，能穿透幾米厚的鋼板，而能量損失不大。在，能穿透幾米厚的鋼板，而能量損失不大。在遇到兩種介質的分界面（例如鋼板與空氣的交界遇到兩種介質的分界面（例如鋼板與空氣的交界面）時，能產生明顯的反射和折射面）時，能產生明顯的反射和折射現象，超聲波現象，超聲波的的

4、頻率越高，其聲場指向性就愈好頻率越高，其聲場指向性就愈好。1 1超聲波發生器超聲波發生器 2 2鋼材鋼材縱波縱波縱波質點的運動方向縱波質點的運動方向表面波在鋼材表面的傳播表面波在鋼材表面的傳播 縱波在鋼材中的傳播縱波在鋼材中的傳播 橫波橫波 縱波縱波是指在是指在介質中傳播時，波的傳播方向與質點介質中傳播時，波的傳播方向與質點振動方向一致。振動方向一致。橫波橫波也稱也稱“凹凸凹凸波波”，是，是介質粒子振動介質粒子振動方向和波行進方向垂直方向和波行進方向垂直的一種波。的一種波。也稱也稱S波波,若若此波沿著此波沿著x軸移動，則振軸移動，則振動方向為與動方向為與x軸垂直的方軸垂直的方向上。向上。 固體

5、的質點在固體表面的平衡位置附近做橢圓固體的質點在固體表面的平衡位置附近做橢圓形軌跡的振動，使振動波只沿著形軌跡的振動，使振動波只沿著固體的表面向前傳固體的表面向前傳播即為表面波播即為表面波。a、聲速聲速是聲波在介質當中傳播的速度，它的量值取是聲波在介質當中傳播的速度，它的量值取決于介質的決于介質的彈性系數、密度以及聲阻抗彈性系數、密度以及聲阻抗。聲阻抗。聲阻抗Z等于介質的密度等于介質的密度和聲速和聲速c的乘積，即：的乘積，即：Z= c其中固體的橫波聲速約為縱波聲速的其中固體的橫波聲速約為縱波聲速的50%。而表面波。而表面波（慢波）聲速又約為橫波聲速的（慢波）聲速又約為橫波聲速的90%。介質的聲

6、速介質的聲速與溫度成反比與溫度成反比。b、波長波長與波頻率與波頻率f的乘積等于聲速的乘積等于聲速c，即：，即： f= cc、超聲波的波束是、超聲波的波束是以一定的角度向外擴散的以一定的角度向外擴散的，聲場，聲場指向性及指向角指向性及指向角如圖所示。在聲束橫截面的中心如圖所示。在聲束橫截面的中心軸線上，超聲波最強，且隨著擴散角度的增大而軸線上，超聲波最強，且隨著擴散角度的增大而減小。指向角減小。指向角（單位為（單位為rad）與超聲源的直徑）與超聲源的直徑D以以及波長及波長之間的關系為：之間的關系為：sin=1.22 / D幾種常用材料的聲速與密度、聲阻抗的關系（環境溫度為幾種常用材料的聲速與密度

7、、聲阻抗的關系（環境溫度為00） 材料材料密度密度聲阻抗聲阻抗縱波聲速縱波聲速橫波聲速橫波聲速/103kgm-1-1Z /MPasm-1cL/kms-1-1cS/kms-1-1鋼鋼7.74605.93.2銅銅8.94204.72.2鋁鋁2.71706.33.1有機玻璃有機玻璃1.18322.71.20甘油甘油1.27241.9水水(20)1.014.81.48機油機油0.912.81.4空氣空氣0.0012410-30.34Pc入射波入射波 入射角入射角 Pr反射波反射波 r反射角反射角 Ps折射波折射波 折射角折射角超聲波入射角超聲波入射角的正弦與反射角的正弦與反射角 r的正弦之比，的正弦之

8、比，等于入射波所處介質的聲速等于入射波所處介質的聲速c1與反射波所處介質的聲與反射波所處介質的聲速速cr之比，即：之比，即：sin/sinr=c1/cr如果如果反射波的波型與入射波的波型都是縱波，反射波的波型與入射波的波型都是縱波，則有：則有：r=入射角入射角的正弦與折射角的正弦與折射角的正弦之比，等于超聲的正弦之比，等于超聲波在入射波所處介質波在入射波所處介質1的聲速的聲速c1與折射波所處介質與折射波所處介質2中中的傳播速度的傳播速度cs之比，即：之比，即：sin/sin = c1 /cs在圖中看到，折射角大在圖中看到，折射角大于入射角，說明第二介質的于入射角，說明第二介質的聲速聲速cs大于

9、第一介質的聲速大于第一介質的聲速c1（與密度有關）。如果當（與密度有關）。如果當入射角入射角足夠大時，將導致足夠大時，將導致折射角折射角 =90，則，則折射波折射波轉換為表面波轉換為表面波。a、聲壓聲壓是指是指介質質點所受的交變壓強與靜壓強的差介質質點所受的交變壓強與靜壓強的差值值。聲壓。聲壓p與介質密度與介質密度、聲速、聲速c、介質質點的振、介質質點的振幅幅x以及振動角頻率以及振動角頻率成正比關系，即：成正比關系，即：p= *cxb、聲強聲強是指是指單位時間內垂直于聲波傳播方向上的單單位時間內垂直于聲波傳播方向上的單位面積位面積A內所通過的聲能內所通過的聲能。聲強。聲強I與聲壓與聲壓p的二次

10、的二次方成正比關系，與聲阻抗方成正比關系，與聲阻抗Z成反比關系，即：成反比關系，即：I=1/2*p2/Z當聲波垂直入射到光滑的界面上時的示意圖如圖當聲波垂直入射到光滑的界面上時的示意圖如圖所示，入射聲壓所示，入射聲壓pi、反射聲壓、反射聲壓pr、透射聲壓、透射聲壓pd三者之三者之間滿足如下關系：間滿足如下關系： p i+ pr = pd反射波和透射波聲壓的比例與組成界面的兩種介反射波和透射波聲壓的比例與組成界面的兩種介質的聲阻抗質的聲阻抗Z有關。界面一側的總聲壓等于另一側的有關。界面一側的總聲壓等于另一側的總聲壓，壓強處于平衡狀態。將總聲壓，壓強處于平衡狀態。將反射聲壓反射聲壓pr與入射波與入

11、射波聲壓聲壓pi之比稱為聲壓反射率之比稱為聲壓反射率。r21i21pZZpZZd2i212pZdpZZ與此對應，透射波聲壓與此對應，透射波聲壓pd與入射波聲壓與入射波聲壓pi之比稱之比稱為聲壓透射率為聲壓透射率d：Z1介質介質1的聲阻抗；的聲阻抗；Z2介質介質2的聲阻抗的聲阻抗1）當介質）當介質1與介質與介質2的聲阻抗相等或十分接近時，的聲阻抗相等或十分接近時，=0，d=1。即不產生反射波，可以視為全透射。即不產生反射波，可以視為全透射。2）當超聲波從聲阻抗（）當超聲波從聲阻抗（Z1）低的介質射向聲阻抗（）低的介質射向聲阻抗（Z2）高的介質時，反射聲壓高的介質時，反射聲壓pr與入射聲壓與入射聲

12、壓pi相位相同，相位相同，但透射聲壓但透射聲壓pd卻大于入射聲壓卻大于入射聲壓p i （能量仍然守恒）（能量仍然守恒） 。3）當超聲波從聲阻抗（）當超聲波從聲阻抗（Z1）大的介質射向聲阻抗（）大的介質射向聲阻抗（Z2）小的介質時，反射聲壓小的介質時，反射聲壓pr與入射聲壓與入射聲壓pi相位相反，相位相反，且透射聲壓且透射聲壓pd小于入射聲壓小于入射聲壓pi。解：解：查表查表7-1可得，可得，Z水水=14.8MPasm-1，Z鋼鋼=460MPasm-1，則有，則有460 14.80.9380460 14.82 461.9381460 14.81dd以上計算說明，超聲波以上計算說明，超聲波從聲阻抗

13、小的材料（密度從聲阻抗小的材料（密度通常也較小），入射到聲阻抗大的材料通常也較小），入射到聲阻抗大的材料（密度通常也密度通常也較大，例如鋼）時，透射聲壓增大較大，例如鋼）時，透射聲壓增大。本例中，。本例中，透射率透射率d達到了達到了193.8%，而反射率也較大，而反射率也較大，達達93.8%，必須，必須予以吸收，予以吸收，才不至于造成干擾才不至于造成干擾。注：注：透射聲強透射聲強Id仍然小于仍然小于入射聲強入射聲強I i，而且，而且遵守能遵守能量守恒定律量守恒定律： I d +I r =Ii 例：例：上例中，當超聲波已經在鋼板中傳播了一段距離上例中，當超聲波已經在鋼板中傳播了一段距離l，并到達

14、鋼板底面時，若底面是鋼、水界面，再求反射率并到達鋼板底面時，若底面是鋼、水界面，再求反射率2及透射率及透射率d2。解：解：與上題相反，與上題相反，2水水，1鋼鋼，所以有：，所以有：以上計算表明，超聲波從聲阻抗大的材料透射到以上計算表明，超聲波從聲阻抗大的材料透射到聲阻抗小的材料時，聲壓的大部分被反射。本例中，聲阻抗小的材料時，聲壓的大部分被反射。本例中，反射率反射率高達高達93.8%，透射到水中的聲壓，透射到水中的聲壓pd1只有只有6.2%。如果鋼板的底面是與空氣交界時，則泄漏量就更小。如果鋼板的底面是與空氣交界時，則泄漏量就更小了。了。超聲波的這一特性有利于金屬探傷和測厚。超聲波的這一特性有

15、利于金屬探傷和測厚。以固體介質為例，設超聲波進入以固體介質為例，設超聲波進入介質時的聲強為介質時的聲強為I Ii i，通過一定距離，通過一定距離x x的的介質后的聲強衰減為介質后的聲強衰減為I Ix x，衰減系數為，衰減系數為K K，則有：則有： Ix= I ie -K x介質的晶粒越粗或密度越小，介質的晶粒越粗或密度越小，K 就越大，衰減就就越大，衰減就越快；越快；頻率越高，衰減也越快頻率越高，衰減也越快。氣體的密度很小。氣體的密度很小,因此因此衰減較快，因此衰減較快，因此在空氣中傳導的超聲波的頻率選得較在空氣中傳導的超聲波的頻率選得較低，約數十千赫低，約數十千赫。而在。而在固體、液體中則選

16、用較高的超固體、液體中則選用較高的超聲頻率（聲頻率（MHz數量級）數量級）。 1超聲探頭超聲探頭 2耦合劑耦合劑 3試件試件 4被測試點被測試點超聲波換能器又稱超聲波換能器又稱超聲波探頭超聲波探頭。超聲波換能器的。超聲波換能器的工作原理有工作原理有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數種，在數種，在檢測技術中主要采用檢測技術中主要采用壓電式壓電式。超聲波探頭又。超聲波探頭又分為直探分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探頭、沖水頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、高溫探頭、空氣傳導探頭探頭、水浸探頭、高溫探頭、空氣傳導探頭以及其他以及其他專用

17、探頭等。專用探頭等。 a）單晶直探頭）單晶直探頭 b）雙晶直探頭）雙晶直探頭 c）斜探頭）斜探頭1接插件接插件 2外殼外殼 3阻尼吸收塊阻尼吸收塊 4引線引線 5壓電晶體壓電晶體 6保護膜保護膜 7隔離層隔離層 8延遲塊延遲塊 9有機玻璃斜楔塊有機玻璃斜楔塊 10耦合劑耦合劑 11試件試件1 1、固體傳導介質超聲探頭、固體傳導介質超聲探頭常用頻率范圍：常用頻率范圍：0.510MHz，常見晶片直徑：常見晶片直徑：530mm接觸式直探頭（接觸式直探頭（縱波垂直入射到縱波垂直入射到被檢介質）被檢介質） 外殼用金屬制外殼用金屬制作，保護膜用硬度作，保護膜用硬度很高的耐磨材料制很高的耐磨材料制作，防止壓

18、電晶片作，防止壓電晶片磨損。磨損。 保護膜保護膜接插件接插件超聲脈沖電壓輸入端超聲脈沖電壓輸入端 接地端接地端保護膜保護膜被測物上表面被測物上表面耦合劑耦合劑將兩個單晶探頭組合裝配將兩個單晶探頭組合裝配在同一殼體內，在同一殼體內，其中一片發射其中一片發射超聲波超聲波，另一片接收超聲波另一片接收超聲波。兩晶片之間用一片吸聲性能強兩晶片之間用一片吸聲性能強、絕緣性能好的薄片加以隔離、絕緣性能好的薄片加以隔離。雙晶探頭的結構雖然復雜些。雙晶探頭的結構雖然復雜些，但檢測精度比單晶直探頭高但檢測精度比單晶直探頭高，且超聲信號的，且超聲信號的反射和接收的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡單控制電路較單晶直

19、探頭簡單。 發射晶片發射晶片 接收晶片接收晶片 焦距范圍：焦距范圍：540mm, 頻率范圍：頻率范圍：2.55MHz，在鋼中的折射角：在鋼中的折射角：45 70 壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如30 、45 等）的有機玻璃斜楔塊上，當斜楔塊與不同材料的被等）的有機玻璃斜楔塊上，當斜楔塊與不同材料的被測介質（試件）接觸時，超聲波將產生一定角度的折測介質（試件）接觸時，超聲波將產生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，可產生多次反射，而傳播射，傾斜入射到試件中去，可產生多次反射，而傳播到較遠處去。到較遠處去。底部耐磨材料底部耐磨材料接插件接插件瑞利波：瑞利波：一種

20、界面彈性波。一種界面彈性波。是沿半無限彈性介質自是沿半無限彈性介質自由表面傳播的偏振波由表面傳播的偏振波 。由。由 L.瑞利于瑞利于 1887 年首先指出其年首先指出其存在而得名。地震學中稱其為存在而得名。地震學中稱其為R波或波或L波。在表層附近，波。在表層附近，質點的運動軌跡為橢圓；在質點的運動軌跡為橢圓；在離表面為離表面為 0.2 個波長的深度個波長的深度以下，其運動軌跡仍為橢圓以下，其運動軌跡仍為橢圓,但運動方向與表層相反。但運動方向與表層相反。蘭姆波：蘭姆波：因物體兩平行表面所限而形成的縱波與橫因物體兩平行表面所限而形成的縱波與橫波組合的波，它在整個物體內傳播，質點作橢圓軌跡運波組合的

21、波，它在整個物體內傳播，質點作橢圓軌跡運動。多用于金屬薄板的無損探傷。動。多用于金屬薄板的無損探傷。選擇較短波長的蘭姆選擇較短波長的蘭姆波有利于缺陷的檢出波有利于缺陷的檢出。常用頻率范圍：常用頻率范圍：15MHz由于超聲波的波長很短（由于超聲波的波長很短（毫米毫米數量級數量級），所以），所以它也類似光波，可以它也類似光波，可以被聚焦成十分細的聲束，其直被聚焦成十分細的聲束，其直徑可小到徑可小到1mm左右左右，可以分辨試件中細小的缺陷可以分辨試件中細小的缺陷，這種探頭稱為聚焦探頭。這種探頭稱為聚焦探頭。聚焦探頭采用聚焦探頭采用曲面晶片曲面晶片來發出聚焦的超聲波；來發出聚焦的超聲波；也可以采用兩種

22、不同聲速的塑料來制也可以采用兩種不同聲速的塑料來制作作聲透鏡聲透鏡；也也可以利用類似光學反射鏡的原理制作聲可以利用類似光學反射鏡的原理制作聲凹面鏡來聚凹面鏡來聚焦超聲波焦超聲波。 選擇聲透鏡形狀，可決定聚焦形式為點聚焦或選擇聲透鏡形狀，可決定聚焦形式為點聚焦或線聚焦。線聚焦。使用使用高分子壓電薄膜高分子壓電薄膜（聚偏二氟乙烯），制作（聚偏二氟乙烯），制作出的薄膜式探頭。可以發射出的薄膜式探頭。可以發射0.2mm的超細聲束，應的超細聲束，應用于醫療診斷，來獲得高清晰的圖像。用于醫療診斷，來獲得高清晰的圖像。a）超聲發射器）超聲發射器 b）超聲接收器）超聲接收器 1外殼外殼 2金屬絲網罩金屬絲網罩

23、 3錐形共振盤錐形共振盤 4壓電晶片壓電晶片 5引腳引腳 6阻抗匹配器阻抗匹配器 7超聲波束超聲波束 超聲探頭與被測物體接觸時，探頭與被測物體超聲探頭與被測物體接觸時，探頭與被測物體表面間存在表面間存在一層空氣薄層一層空氣薄層，空氣，空氣將引起三個界面間將引起三個界面間強烈的雜亂反射波，造成干擾，并造成很大的衰減強烈的雜亂反射波，造成干擾，并造成很大的衰減。為此，為此，必須將接觸面之間的空氣排擠掉必須將接觸面之間的空氣排擠掉。在工業中，經常使用耦合劑，使之在工業中，經常使用耦合劑，使之充滿在接觸充滿在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用層中，起到傳遞超聲波的作用。常用的耦合劑有。常用的耦合劑有自自來

24、水、機油、甘油、膠水、化學漿糊來水、機油、甘油、膠水、化學漿糊等。等。 當超聲發射器當超聲發射器與接收器分別置于與接收器分別置于被測物兩側時，這被測物兩側時，這種類型稱為透射型種類型稱為透射型。透射型可用于遙控透射型可用于遙控器、防盜報警器、器、防盜報警器、接近開關等接近開關等。超聲超聲發射器與接收器置發射器與接收器置于同側的屬于反射于同側的屬于反射型型。反射型超聲波傳感器可用于接近開關、測距、金屬反射型超聲波傳感器可用于接近開關、測距、金屬探傷以及測厚等。探傷以及測厚等。質量檢查質量檢查緊固件的安裝錯誤檢測緊固件的安裝錯誤檢測疊放疊放高度測量高度測量物物件放置錯誤檢測件放置錯誤檢測透明塑料張

25、力控制透明塑料張力控制機械手定機械手定位位紙卷直徑檢測紙卷直徑檢測平整度測量平整度測量超長距離檢測超長距離檢測流水線計數流水線計數F1發射的超聲波先到達發射的超聲波先到達 T1，F2發射的超聲波后到達發射的超聲波后到達 T2時間差法測量流量原理：在被測管道上下游的一時間差法測量流量原理：在被測管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對超聲波發射和接收探頭（定距離上，分別安裝兩對超聲波發射和接收探頭（F F1 1，T T1 1）、（）、（F F2 2，T T2 2），其中），其中F F1 1，T T1 1的超聲波是順流傳播的超聲波是順流傳播的，而的，而F F2 2，T T2 2的超聲波是逆流傳播的。由

26、于這兩束超的超聲波是逆流傳播的。由于這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，測量兩接收探頭上超聲波在液體中傳播速度的不同，測量兩接收探頭上超聲波傳播的時間差聲波傳播的時間差 t t，可得到流體的平均速度及流，可得到流體的平均速度及流量。量。 F1發射的超聲波到達發射的超聲波到達 F2的時間較短的時間較短F2F1F1、F2 是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過電子開關的控制通過電子開關的控制，交替地作為超聲波發射器與交替地作為超聲波發射器與接收器用接收器用。首先由。首先由F1發射出第一個超聲脈沖，它通過發射出第一個超聲脈沖，它通過管壁、流體及另一側管壁被管壁

27、、流體及另一側管壁被F2接收，此信號經放大后接收，此信號經放大后再次觸發再次觸發F1的驅動電路，使的驅動電路，使F1發射第二個聲脈沖發射第二個聲脈沖 ，可以測得可以測得F1的的脈沖重復頻率為脈沖重復頻率為f1。緊接著，由緊接著，由F2發射發射超聲脈沖，而超聲脈沖，而F1作接收器。同理可以測得作接收器。同理可以測得F2的的脈沖重脈沖重復頻率為復頻率為f2。順流發射頻率。順流發射頻率f1與逆流發射頻率與逆流發射頻率f 2的的頻頻率差率差 f與被測流速與被測流速v成正比成正比 。首先由首先由F1順流發射出第一個超聲脈沖，它通過管順流發射出第一個超聲脈沖，它通過管壁、流體及另一側管壁，被壁、流體及另一

28、側管壁，被F2接收，接收，F2的輸出電壓經的輸出電壓經放大后，再次觸發放大后，再次觸發F1的驅動電路，使的驅動電路，使F1發射第二個聲發射第二個聲脈沖，以此類推。在第一個時間段脈沖，以此類推。在第一個時間段t1里，里，F1的脈沖重復的脈沖重復頻率為：頻率為：式中式中 超聲波束與流體的夾角；超聲波束與流體的夾角； v 流體的流速；流體的流速； D 管道的直徑。管道的直徑。1cos(cos )sin/sinc vc vfDD12sin2fffvD在在緊接下去的另一個相同的時間間隔緊接下去的另一個相同的時間間隔t2(t2=t1)內內,與上述過程相反與上述過程相反,由由F2逆流發射超聲脈沖逆流發射超聲

29、脈沖,而而F1接收脈接收脈沖。可以測得沖。可以測得F2的脈沖重復頻率為：的脈沖重復頻率為： 若若不考慮管道的壁厚，不考慮管道的壁厚，則超聲脈沖的重復頻率差則超聲脈沖的重復頻率差 f 與流速與流速v成正比：成正比：而而與聲速無關，減小了溫漂與聲速無關，減小了溫漂。頻率。頻率法測得的流速法測得的流速v約等于管道約等于管道截面的截面的平均流速，所以體積流量平均流速，所以體積流量qV為：為：2cos(cos )sin/sinc vc vfDD24sin 2VDfq所謂所謂多普勒效應多普勒效應（Doppler effect）是指）是指運動物體運動物體迎著波源運動時，波被壓縮，波長變得較短，頻率變迎著波源

30、運動時，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高；當運動物體背著波源運動時，會產生相反的得較高；當運動物體背著波源運動時，會產生相反的效應效應。物體的速度越快物體的速度越快,所所產生的頻偏效應就越大產生的頻偏效應就越大。產生的頻偏。產生的頻偏fd與波源與波源、移動物體兩者之間的、移動物體兩者之間的相對速度相對速度v及方向有關。及方向有關。多普勒效應廣泛存在于多普勒效應廣泛存在于光波光波(電磁波電磁波)、聲波等、聲波等物理現象中物理現象中。如果波源和觀如果波源和觀察者之間有察者之間有相對運相對運動動，那么觀察者，那么觀察者接接收到的頻收到的頻率率和波源和波源的頻率就不相同的頻率就不相同了了，這種現象

31、叫做，這種現象叫做多多普勒效應普勒效應。測出測出 f 就可得到運動速度就可得到運動速度。超聲超聲探頭探頭F1向流體發出頻率為向流體發出頻率為f1的連續超聲波，照的連續超聲波，照射到液體中的散射體（懸浮顆粒或氣泡）。射到液體中的散射體（懸浮顆粒或氣泡）。 v為散射體為散射體的運動速度，散射的超聲波產生多普勒頻移的運動速度，散射的超聲波產生多普勒頻移fd，接收探，接收探頭頭F2接收到頻率為接收到頻率為f2的超聲波：的超聲波：多普勒頻移多普勒頻移fd正比于正比于散射體散射體的流動的流動速度速度v ：21coscoscvffcvd2112cosffffvcd12cosfcvf折算出平均流速，再乘以管道

32、的折算出平均流速，再乘以管道的截面積截面積A，才等于被測體積的流量。，才等于被測體積的流量。當被測雜質斷斷續續時，就必須在放大電路之后當被測雜質斷斷續續時，就必須在放大電路之后，引入鎖相環，鎖存住粒子斷續之前的引入鎖相環，鎖存住粒子斷續之前的fd。風風 （頻率增加）（頻率增加） 不同的風向引起兩對超聲不同的風向引起兩對超聲波的頻率變大或變小。波的頻率變大或變小。 經過單片機計算可以得到經過單片機計算可以得到風速和風向。風速和風向。發射器發射器接收器接收器發射器發射器接收器接收器雙晶直探頭中的壓電晶片發射超聲振動脈沖，雙晶直探頭中的壓電晶片發射超聲振動脈沖，超超聲脈沖到達試件底面時，被反射回來，

33、并聲脈沖到達試件底面時，被反射回來，并被另一只壓電被另一只壓電晶片所接收晶片所接收。只要測出從發射超聲波脈沖到接收超聲波。只要測出從發射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時間脈沖所需的時間t t，再乘以被測體的聲速常數，再乘以被測體的聲速常數c c，就是，就是超超聲脈沖在被測件中所經歷的來回距離，再除以聲脈沖在被測件中所經歷的來回距離，再除以2 2，就得，就得到厚度到厚度 ： 12ct顯示方法顯示方法 12832 LCD點陣液晶點陣液晶顯示顯示（帶背光）（帶背光） 顯示位數顯示位數：四位：四位 測量范圍測量范圍：0.8200mm示值精度示值精度：0.1mm 聲速范圍聲速范圍：10009999m/

34、s測量周期測量周期：2次次/s 自動關機時間自動關機時間：90s 電源電源：二節七號（：二節七號（AAA）電池）電池 可連續工作不少于可連續工作不少于72h 使用溫度使用溫度：-1040存儲溫度存儲溫度：-2070外形尺寸外形尺寸：1086125mm重量重量：230g （含電池）（含電池）在液罐上方在液罐上方安裝空氣傳導型超聲發射器和接收器安裝空氣傳導型超聲發射器和接收器，根據超聲波的往返時間，就可根據超聲波的往返時間，就可測得液體的液面測得液體的液面。 1液面液面 2直管直管 3空氣超聲探頭空氣超聲探頭 4反射小板反射小板 5電子開關電子開關 例：例：超聲波液位計原理如圖所示，從顯示屏上測超

35、聲波液位計原理如圖所示，從顯示屏上測得得t0=2ms，th1=5.6ms。已知水底與超聲探頭的間距。已知水底與超聲探頭的間距h2為為10m，反射小板與探頭的間距，反射小板與探頭的間距h0為為0.34m，求液求液位位h。解：解：所以液位所以液位h為：為：h=h2- -h1=(10- -0.95)m=9.05m010122hhhctt0101hhhtt11005.6=(0.34)m=0.95m2.0hthht 喇叭形喇叭形 超聲發生器超聲發生器圖中的圖中的上半部分為發射電路上半部分為發射電路，下半部分為接收電下半部分為接收電路路。發射器發射出頻率。發射器發射出頻率 f=40kHz40kHz左右的超

36、聲波。如果左右的超聲波。如果有人進入信號的有效區域，相對速度為有人進入信號的有效區域，相對速度為 v，從人體反從人體反射回接收器的超聲波將由于多普勒效應，而發生頻率射回接收器的超聲波將由于多普勒效應，而發生頻率偏移偏移 f。 1、無損探傷無損探傷的基本的基本概念概念人們人們在使用各種材料在使用各種材料（尤其是金屬材料）的長（尤其是金屬材料）的長期實踐中，觀察到大量的期實踐中，觀察到大量的斷裂現象，它曾給人類斷裂現象，它曾給人類帶帶來許多災難事故來許多災難事故。涉及艦。涉及艦船、飛機、軸類、壓力容船、飛機、軸類、壓力容器、宇航器、核設備等。器、宇航器、核設備等。 路軌斷裂事路軌斷裂事故故無損檢測

37、無損檢測NDT（Nondestructive Testing）無損檢查無損檢查NDI（Nondestructive Inspection）無損評價無損評價NDE（Nondestructive Evaluation）NDT僅僅是檢測出缺陷僅僅是檢測出缺陷；NDI則以則以NDT結果為結果為判定基礎判定基礎；而；而NDE則是對被測對象的完整性、可靠則是對被測對象的完整性、可靠性等進行綜合評價性等進行綜合評價。近年來，無損探傷已逐步。近年來，無損探傷已逐步從從NDT向向NDE過渡過渡。對缺陷的檢測手段有對缺陷的檢測手段有破壞性試驗破壞性試驗和和無損探傷無損探傷。由于無損探傷以不損壞被檢驗對象為前提，所

38、以得由于無損探傷以不損壞被檢驗對象為前提，所以得到廣泛應用。到廣泛應用。無損檢測的方法有無損檢測的方法有磁粉檢測法、電渦流法、熒磁粉檢測法、電渦流法、熒光染色滲透法、放射線（光染色滲透法、放射線（X光、中子）照相檢測法、光、中子）照相檢測法、超聲波探傷法等超聲波探傷法等。磁懸液磁懸液磁粉檢測儀磁粉檢測儀將將磁懸液磁懸液噴灑在工件表面，噴灑在工件表面，將將電流檢測頭壓在在被測工件上電流檢測頭壓在在被測工件上，通以百安培的電流通以百安培的電流，工件中將工件中將產生磁場產生磁場，工件表面的裂紋可因，工件表面的裂紋可因磁粉的不均勻分布而顯示出來磁粉的不均勻分布而顯示出來。將將X光發生器對準被測位置，將光發生器對準被測位置，將感光片貼在物體感光片貼在物體背面背面，人離開后接通高電壓人離開后接通高電壓，產生，產生X光，透過被測鋼光，透過被測鋼構件，成像到感光片上。構件，成像到感光片上。將感光片沖洗出影像將感光片沖洗出影像，即可，即可觀察到缺陷。觀察到缺陷。使用使用CCDCCD光電圖像傳感器，可以直接將成