超声波折射现象—超声波仪器背后的工作原理介绍

超声波折射现象—超声波仪器背后的工作原理介绍

超声波折射现象是不少超声波仪器背后的工作原理，超声波流量传感器/超声波流量计之所以能够运作，依靠的也正是超声波折射现象。超声波折射现象到底是什么呢？本文将为您解密超声波折射的定义，超声波折射角的计算方法，并展示超声波折射现象的模拟图及视频。

超声波折射现象

当超声波以倾斜角度穿过不同声速的介质之间的界面时会发生折射（波束弯曲）。在光线的传播中也可以观察到相同的现象。

折射波传播角度的计算

折射波传播角度可以使用斯涅尔定律计算。斯涅尔定律描述了超声波在不同介质中的速度（c1，c2）和传播角（θ1，θ2）之间的关系，如下图和方程所示。

折射角的计算示例

例如，当超声波穿过亚克力塑料板和水之间的界面时，可以使用斯涅尔定律计算折射角。亚克力塑料的声速为2670 m/s，水的声速为1496 m/s。 当入射角θ1为45度时，折射角θ2计算为23.3度。

折射现象与部分超声波设备的工作原理

诸多超声波设备利用声束折射进行测量和过程控制，例如用于非侵入式流量监测的外夹式超声波流量传感器/超声波流量计，以及用于检查焊接缺陷或裂缝的角度声束传感器。

超声波折射现象的二维有限元模拟

下面展示一组二维有限元模拟结果，以呈现超声波折射的过程：

首先，将超声波探头安装在带有45度斜面的亚克力楔块上，此亚克力楔块被放置于另外一块亚克力板上方，亚克力板下方为水。

当超声波探头在其谐振频率下被短电压脉冲激发时，它会振动并产生超声波。 超声波首先在亚克力板中传播，在此过程中，超声波声束保持相同的传播方向，但在当声波抵达亚克力与水之间的界面处后，可以清楚地观察到折射。超声波波长在从亚克力进入水中后也会变短，因为水的声速较低。

您也可以观看下方视频，了解超声波折射现象的二维有限元模拟的全部过程。