超声波检测

超声波在最后两节复习课中出现了例题，尤其是测距、测厚、流量。这类题公式不算多，但最容易错在“该不该除以 2”和“顺流逆流时间差怎么处理”。

一、超声波基本概念

超声波是频率高于人耳可听上限的声波，通常指：

f>20kHz

特点：

频率高
波长短
方向性好
能量集中
遇到界面会反射和折射
在不同介质中传播速度不同

基本关系：

c=f\lambda

其中：

$c$ ：声速；
$f$ ：频率；
$\lambda$ ：波长。

例题：波长计算

题目：

超声波在某介质中传播速度为 1500m/s，频率为 1MHz，求波长。

计算：

\lambda=\frac{c}{f} =\frac{1500}{1\times10^6} =1.5\times10^{-3}m =1.5mm

二、超声波换能器

超声波检测常用压电换能器。

发射时：

电信号 → 压电振动 → 超声波

接收时：

超声波振动 → 压电电荷 → 电信号

因此压电材料在超声波检测中既可作发射器，也可作接收器。

例题：换能器作用

题目：

超声波检测中压电换能器的作用是什么？

答案：

发射时把电信号转换为机械振动产生超声波，接收时把超声波引起的机械振动转换为电信号。

三、回波测距与测厚

这是最常见计算。

若超声波从探头发出，到达目标后反射回来，测得往返时间为 $t$ ，距离为：

L=\frac{ct}{2}

为什么除以 2？

因为声波走的是“去程 + 回程”，总路程是 2L。

如果题目给的是单程传播时间，则不除以 2。

例题：超声波测距

题目：

超声波在空气中声速为 340m/s，发出后 0.02s 接收到回波，求目标距离。

计算：

L=\frac{ct}{2} =\frac{340\times0.02}{2} =3.4m

答案：

目标距离为 3.4m。

例题：超声波测厚

题目：

超声波在钢中速度为 5900m/s，探头发射后 2μs 收到背面回波，求钢板厚度。

计算：

d=\frac{ct}{2} =\frac{5900\times2\times10^{-6}}{2} =5.9\times10^{-3}m =5.9mm

四、超声波流量测量

PPT例题：

超声波流量测量

顺流时，声波传播等效速度增大：

t_1=\frac{L}{c+v\cos\theta}

逆流时，声波传播等效速度减小：

t_2=\frac{L}{c-v\cos\theta}

时间差：

\Delta t=t_2-t_1

当 $v\ll c$ 时，可近似：

v\approx \frac{c^2\Delta t}{2L\cos\theta}

体积流量：

Q=vS

其中 $S$ 是管道截面积。

例题：由时间差求流速

题目：

某超声波流量计声程 L=0.5m，声速 c=1500m/s，声束与流速夹角 θ=60°，测得逆顺流时间差 Δt=1μs，求平均流速。

计算：

v=\frac{c^2\Delta t}{2L\cos\theta}

v= \frac{1500^2\times1\times10^{-6}} {2\times0.5\times\cos60^\circ}

v=\frac{2.25}{0.5}=4.5m/s

五、多普勒超声测速

当超声波遇到运动目标时，反射波频率会发生变化。

多普勒频移与速度有关：

\Delta f\propto v

常用于：

血流速度测量
流体速度检测
运动目标测速

如果题目没有给具体多普勒公式，一般只考原理。

例题：多普勒原理

题目：

超声多普勒测速是根据什么现象实现的？

答案：

根据运动目标反射超声波时产生的多普勒频移，频移大小与目标运动速度有关。

六、超声波检测应用

常见应用：

测距
测厚
物位测量
流量测量
无损探伤
医学成像
多普勒测速

无损探伤中，内部缺陷会反射超声波。通过回波出现时间和幅度，可判断缺陷位置和大小。

例题：缺陷位置

题目：

超声探伤中，探头发出脉冲后先收到工件表面回波，再收到缺陷回波，最后收到底面回波。缺陷回波时间越早说明什么？

答案：

说明缺陷距离探头越近。

七、本章背诵版

超声波是频率高于 20kHz 的声波，具有频率高、波长短、方向性好、能量集中等特点。基本关系为 c=fλ。

回波测距或测厚时，若给的是往返时间，距离或厚度 L=ct/2；若给的是单程时间，则不除以 2。超声波流量测量中，顺流传播时间变短，逆流传播时间变长，可由时间差求流速，再由 Q=vS 求流量。

超声波可用于测距、测厚、液位、流量、无损探伤和医学检测。压电换能器可实现电信号与超声振动之间的相互转换。