超聲波液位計自動校正液位的探討 六

2 超聲波理論基礎

超聲學是一門交叉學科，以物理、電子、機械及材料等學科為基礎，被用于各行各業，例如，金屬材料的無損檢測、生物醫學的診斷、環境工程的清洗，以及各種液面高度測量。

作為聲波的一種，超聲波波束具有聚束、定向及反射、透射等特性，值得一提的是，當聲波頻率愈高則聲波愈接近光波特性。超聲波技術就是通過超聲波產生、傳播及接收的物理過程完成相應的技術功能[9]。超聲波具有很多物理特性，超聲測量技術就是通過超聲的方法來測定媒介的某些非超聲學特性和狀態參量。超聲液位測量技術就是一種比較有效的液位測量技術。

超聲波是一種機械波，是機械振動在媒介中的傳播過程。超聲波是人耳聽覺閥值以上的振動，頻率范圍在10kHz到1THz之間，常用頻率大約在10kHz到10MHz之間。

超聲波的波型分縱波、橫波、瑞利波和表面波。縱波的傳播方向與質點的振動方向一致，縱波可以在氣液和固體中傳播。橫波的傳播方向垂直于質點的振動方向橫波只能在固體中傳播。

2.1 超聲波的聲場特性

在超聲波傳播過程中，被超聲所充滿的空間稱為超聲場。超聲場的物理性質有：反射與折射、衰減與吸收、疊加與干涉等。超聲波聲場的特性是通過聲壓、聲強及特征阻抗率等特征量描述的。

2.1.1 超聲波基本概念

現假定 x 軸是超聲波的傳播方向，ω為振動角頻率，f 為超聲波頻率，原點x=0處的質點振動狀態ξ0 =ξm0 cosωt，媒介中超聲波傳播速度(聲速)為c。可以定義波長為一個周期T 內超聲波所行進的距離,媒介中聲速與超聲波的頻率和振幅無關，聲速是媒介自身固有的性

能指標，但與媒介中超聲波質點振動形式有關。

ρ為媒介密度，B 為流體體積彈性模量，E 為固體伸長彈性模量，G 為固體切變彈性模量，γ為氣體定壓比熱和定容比熱的比值，μ為氣體分子量，R 為理想氣體常數，T 為絕對溫度。

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