超声波原理

引言

　什么是超声波，各种频段的声波是什么样子的？大家先来听听20hz--20khz频率的声音？

    　                             各个频率超声波的声音播放，超声波音频文件

　超声波最早被人类发现是在1793年由意大利科学家斯帕拉捷在蝙蝠身上发现其存在,随后的30多年里人们进行了有关超声波的产生机理方面的大量研究,直到1830年F· Savar用齿轮产生24×104HZ的超声,首次实现了人类在人工控制下超声波的产生,开启了超声历史的新纪元,其他新技术如压电效应与逆压电效应的发现大大推动了超声波的快速发展,在随后的60年间世界各地区有关超声技术的研究不断的取得突破性成果,20世纪的40年代超声技木开始应用于临床邸疗方面,这也同样推动了人类医疗事业的发展,有关超声波在医学方面的应用与研究取得突破性进展,国际间也有过许多的交流与合作,共同推动了超声科技的发展和进步。

　　我国在超声方面的研究相对落后于国际主流国家,我国由于当时特别的时期和特别的情况,20世纪60年代才开始超声方面的研究,有关超声学的相关研究始于也在这个时期真正开始,并且在随后的几年发展中取得了许多重要成果和重要的应用,如金属探伤、种子的培育、印染等。在基础研究方面也取得了重要进展,如研制出有关超声波在固体中衰减所用的检测设备,进行了有关超声乳化等课题的研究,研制出分子声学试验等设备,表面换能器的相关研究在1960年左右开始。改革开放的新时期,超声技术开始了实际应用之路,并且在该领域的一些列成果开始走进我们的生产生活之中,例如超声诊断,高频压电材料研制成功并且走向实用,复合型超声波换能器问世,超声焊接技术,超声波清洗技术等一系列的成果逐步应用并且走向成熟,而且还催生了一大批的产业,并 且目前已经形成了相当大规模,鉴于超声研究的重要性及其所蕴含的巨大潜 力,国家也相应投入大笔资金和人力进行相关的研究,如建立国家级的重点 实验室,扶植相关科研机构有关超声方面的研究。

总而言之,我们国内的超 声学研究取得了长足发展,有些领域已走在国际水平的前列。 超声技术是20世纪发展起来的高新技术,是一门集物理、电子、机械及材 料学为基础的多学科交叉的边缘科学,其应用跨涉多个行业领域。

新技术的应用会推动经济的发展,也能在某种程度上提高我们的生活质量,也可以增加个人和企业在日常生产中的安全系数,同时也能降低生产成本,在日新月异的今 天对于提高生产效率也功不可没。其应用总体上包括两大方面:第一类是超声 加工和处理技术;　第二类就是超声检测与控制技术,第一类技术应用是通过 超声波去改变物质本身的特性或者状态,以满足生产生活需要。第二类应用主 要是超声波本身的检测及测量,这两类技术的应用非常广泛,在军事、农业等 领域的应用不胜枚举也颇为常见,超声技术蕴含着巨大的发展潜力,这也引起 了包括中国在内的美国、德国、加拿大等国内国际的广泛关注。

1.    超声波基本原理及传播特点

1.1什么是超声波

超声波是指频率高于20000Hlz的一种人无法听见的声波,由于人耳的听觉 频率范围在20赫兹和200000赫兹之间,若声音的振动频率高于20000z人耳就 无法听到,因此习惯上把频率高于2000赫兹的声波称为超声波3,当然低于 20赫兹的也不在我们的听觉范围内,属于次声波,超声波是一种机械波,机械 振动与波动是超声波探伤的物理基础,超声波也届于声波家族中的一员,它与 平常听到的声音的本质是一样的,其共同的特点是都属于机械振动,属于能量 和动量之间的一种传播形式,在弹性介质内常常以纵波的形式传播,它们之间 不同点在于超声的频率高,波长较短所以说超声波的衍射能力不是很强,在介 质一定密度不变的情况下,超声波能通常的障碍物都会比超声波的波长大很多 够沿着波的方向一致沿直线传波,超声波的波长相对来说越短的話,直射能力 就越好,在一定距离范围内可沿直线传播,具有非常好的束射性与方向性。

1.2超声波的基本原理

1.2.1压电效应及脉冲超声波的产生

部分固体受到压力或者拉力时,将会产生形变导致使物质发生极化,并且 在物质的表面产生正负束缚电荷的现象叫作压电效应。物质本身的压电效应和 它的本身内部结构有关,例如石英晶体,它的化学成分为SiO2,可将其看作是 由正4价的Si离子和负2价O离子组成,石英晶体的分子中两种离子可形成规 整的六角形排列。如下图所示,三个正原子形成一个向右的正三角形,正电中 心可看作在三角形的重心处。同上述方法,三个带负电的原子对将组成一个向 左的三角形,其负电中心也同样在三角形的重心上,若晶体不受力时,两个三 角形重心重合,六角形单元呈电中性,同时整个晶体也呈电中性。

石英品体的压电效应

　　当晶体治x方向受到拉力时或者沿y方向受到压力时,六角形将沿x方向变形 长这将使得正负电的中心不合最然此时的六角形仍呈现电中性,但 是其正负电中心不重合导致产生电偶极矩p,整个品体中其实有许多这样的电 偶极矩排列,这也使得晶体出现极化现象,晶体左右表面出现束缚电荷。但是 当外力消失的时候,晶体将会恢复为原状,极化现象也将会消失。类似的,若 晶体沿y方向受到拉力或者沿x方向受到压力时,正负原子三角形都将被压扁 变形,这将也造成正负电中心不重合,但此时电偶极矩的方向和x所受拉力时 方向相反,晶体的极化方向也相反,即压电效应产生的本质,其他晶体如太酸 钡,即便是没有受到外力作用正负电中心仍然不会重合,通常把这种现象叫做 自极化现象,这类晶体中具有压电效应与逆压电效应的陶瓷材料常被称作压电 陶瓷 若压电能在披加工成平面形状以后,在其正反面镀上银作电极以后,该 器件被称作压电晶片,当给压电晶片两极人为施加施加电压短脉冲时,逆压电 效应的有在致使晶片将发生弹性形变,其产生弹性振荡,由此产生的频率与晶 片的声速和厚度有联系,只要选择合适的晶片厚度就可以在可控下得到超声频率 范围的弹性波,也就是通常所说的超声波,在振动源振动过程中,由于各种因 素的影响,比如能量的损失,导域振幅的慢慢变小,最后它是以超声波的形式对外进行发射的,一般把它叫作脉冲波 .

2.2超声波的波形

超声波在本质上与普通的声波是一致的,其许多的传播规律和传播特性具有相同的传播特点,两者都是因频率而划定界限,因此携带的能量也不同,大 体上存在以下三种波形:纵波波形是当传播媒质中各点振动的方向和超声波的传播方向平行时,该波形被称作纵波波形,纵波是质点的振动方向与传插方向平行的波,任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波,纵波在固体、液体和气体中都可以他播 横波波媵是当传播媒质中各点振动向称的传播方向垂直时,该超声波破称 横波波形,横波也称世凸波,是质点的动方向与波的传播方向重直,由 于煤质除了能小捉体根变巧外,横波的产生需悲剪切应力交替作用在物体 如地震波横波的产生就需要行于地表的力即剪切应力的交替作用。

超声波在我们的日常生产生活中扮演着举足轻重的角色和其本身的特点离不开的性质决定其用途,与普通声波相比,

1）超波具有许多优点如直射性好,超声波的频率相对来说比较高,它的波长和声波相相比之下要 短的衍射现象也不是很明显容易得到定向而集中的波来在定距内沿着直线传播,在遇到障碍物时会发生反；

2)功率大叫这是由起声波本身的特点所决定的,因其波长相对较組,频率也较高,本身又属于能量的传播形式,这也就说明它本身是携带了更强的能量,大功率的超声波简称功率超声

(3)穿透能力强。超声波在固体成者液体中时衰减很小,这也是其在水下 探测及探伤方亩取得重要应用的原因所在,介质吸收系数随波的频率增大而增 ,超卢波的频泽增加时其穿透本领会下降,因此在不同的应用中,其频的 选择不同在不透明的固体中超声波能够无损穿透儿十米的厚度,这反面闰用 于金属等材料的探伤,液体中用于海底地形扫测和侦察,超声波在遇到杂质或 者介质分界面时会有明显的反射,低其弱点在于超声波在空气中衰减较快,无 法利用超声波进行窒車运距离探测 能产生空化作用,

超声波在液体中传播时,由于其本身是一种机械波 若液体受压产生逐级压,相对比稳定,因此液体能耐压,而承受拉力的能力却 很差,因此当超声波的波浓摩足够大时,承受不住拉力而发生断裂,导致其产声近似于真空或者只含少量气体的空穴,在声波的压缩阶段,这些空穴也被压缩 道到它们崩溃,在这些空穴朋责过程中将会发生放电并伴随发光观象,此现象被 称作室化作用,也正是由于这些特点的存在,促使超声波走进我们的生产生活 在国防、医疗,科技创新、农业等许多领域得到了重要的应用 ；

2超声波的应用

   超声波在农业生活中扮演着极其重要的角色,它的是液涉足的 领城包括超声诊师、超声波探伤,大功率超声、船声理疗、声波捡测、超 声波处理,在工业中超声可用来对材料的内部结构进行检测和探伤,同时也 可以测量气体,液体或者固体的物理参数,测量物体的厚度;液面的高度、流 量、精度或者硬度等等,也可以对材料的焊缝处,粘接处等进行全面检查。

　在其他应用方面如超声波清洗和加工处理还可以被应用在切割、焊接、喷雾、乳 化、电键等工艺中,超声波清洗技术是一种高效率的洗涤方法,已经在尖端和 管 精密工业中得到普及。

　　大功率超声也可用于机械加工之中,使超声波在拉 拉丝、挤压和铆接等工艺中得到应用。医学中的超声波诊断发展甚快,且应用 效果很好,已经成为医学上大影象诊断方法之一,与X线、同位素分别应用 于不同场合,例如超声波理疗、超声波诊断、肿瘤治疗和结石粉碎等。

在农业 生产中,可以用超声波对有机体细胞的杀伤的特性来进行消毒灭菌,对作物种 子进行超声波处理,有利于堤高种子发芽率和也能促使作物增产增收。

此外超 声波的液体处理和净化也可应用于环境保护中,例如超声波水处理、燃油乳化 大气除尘等,微波超声的应用重点在于微波电子器件,已经制成了超声波延迟 线、声电放大器、声电滤波器、脉沖压缩滤波器等,以下面就对超声波的几个 典型应用加以描述:

2.1超声波在制浆造纸工业中的应用

2.11纸浆预处理

利用超声技未处理纸浆,使之产生机械的打浆效应。研究发现,利用超 声波处理木浆,其有与机械打浆、精浆相类似的效果,可对纤维细胞壁产生位 移、变形以及细纤维化等作用,这主要是由于超声波空化产生的微流对纤维的 沖击、剪切作用,使纤维纤维细胞壁出现裂纹、发生位移和变形,初生壁和次 生壁外层破裂脱除,次生壁中层暴露出来:或使纤维产生纵向分裂,发生细纤 维化。超声波处理不仅对纤维有机械打浆效应,面且经超声波处理后,纤维的 保水值增大,纤维的可及度和反应性能显著提高。对于含较多果胶质的纤雏, ‖利用超声波达到脱胶效果超声波对于合成纤维的表面更是发挥了很好的作用, 河以活化纤维表面,是纤维表面的含氧官能团增加,引起纤维表面张力中极性 分子增加,研究还发现,超声波刈纤维表面有刻蚀作用,纤维比表面增加,大 大提高了纤维的层间结合能力,由于高分子化合物与液体之间超声速度差产 生榛力,使纤维结构破坏。使用超声波处琲各种纸浆,使纤维达到润胀, 层剿离,细纤维化,从面增拥成纸弧度。

2.1.2超声波检测

超声波检测,它是利用与某些描述介质声学特性的超声量(如 之间存在的米 这些超声量的测定来分析介质的特性,评偷 工L程有关的参量叫超声波传播的方向性很好尤其在液体和固体中传播时滚 很小超波酒到质时会荣到散射和吸收,到媒分界面时有显著的反时 利用这些特性,可以通过测量定能量超声波在固体悬浮物的液体中传播时的 减量间接得到液体中固体悬浮物的含量:由此可以测定和制浆料成水 的浓度,据此原理生产的超声流量计、超声波料位仪等目有反应嫩测量精 度高、对人体没有伤害等优点用用超声波直接满定纸张的抗张挺度取向,检 过程无创伤、快速,测定结果直接准确,是纸张检测很好的具用超 技术检测真空系统泄漏,是行之有效的方法,具有简单快捷,准确果成本低 操作简单等特点。

2.2超声波传感器

超声波传感器在流量材料的无損桧测、物体位置的测量中应用极 厂泛,国此,超波传器的地位就显得特別重要,首先简单的介继下超声 波传感器,超声波传感器分为两类,分别是接受换能器和发射换能器,这两者 是不,接反换能器利用进压电效应面发换能器利用压电效应,超 声波换能器又畦超声波,是指在超声频率范田内,将交变的电镭号转换成 声信号的转换諾:或者将声场中的声信号转挨为电信号的能量转涣器件,它 本身既能产生超声波又能接受超声波的回波,从而实现手能量的转換,超声换 按照结构分古直探头,斜探法、表面波探、单探头、双探头、聚焦探头等。 按照物理效应不同分为电动式、电磁式、磁致伸缩式和电致伸缩式等 随着材料科学的发及对某些材料话识的突破,超声波换能器的发展也被 带动起来了作为换能器的材料也开始有多种选择,例如品体、陶瓷、聚合物 等这些电介质。,当对这些电价质在某个方向上施加作用力时,这些电介质内 部的电极化状态就会随之改变,在其的某相对两表面就会出现束缚电荷,这些 电荷与外力成正比,由于外加作用为使电介质带电的现象称为压电效应相 地如果给这些电介质外加出电场,于电场的作用,其内部电极化状态将会 皮生的化,P 为五港,电单品体积多品体、压电高分子聚合物、复合压电材料电 山电陶能是压电晶材料的核心,它的的压电性能比较好,电陶 年的历史在材料基础研究和实际应用中都发坛迅速,避 出出项使电能器的实际应用上厂一个新的台研所以压电 除是现今力最大用论最有的压材料目前在压电材料中处于皮配地位 易酸碱腐蚀损坏压电性能 性能器弹请以满是不域的需求易加工,设 各种形由于不同的形状和电极化细,从而可得到各种振动 筒,生产周期短 超波传感器根据实深需要不同可以产生相应的 例如频率在30k2到 H之间可以应用在流量测量城中在30kH到20kHz之间可以应用在物 位薄量中当应用在检测装置上时,要求波的频率范围就很宽

2.3超声波测距

超声波在介质中有排他性、能量耗较慢,传播距离较近的特点因此 可用在测距方面。超声波测距是指超声波发出后遇到障碍物被反射回来的时间 根据发射和收的时f[差来计算发射点到障碍物的距离。其中已知量为超声波 在空气中的传播速度超声波渊距的其体公式为 SCXI 式中s为测量点到障碍的距离C为超声波在气中的传播速度;T为测量点 到被測物体距离「传播的时间差 超声波测距在日常生活的应用广泛,主要应用在倒车提閣、趁速检游 筑业等,超声波测距虽然湖量精度能达到理米级,但探测距离貝有儿米, 所以对它的藏用也大太有所限制。由于超声波具有可以定向发射、强度容易控 刮和不需要直接接触测量物体的优点,所以可作为液体高度谢量、目前国内的曲 制造的超声波测距集成电路的测量精度只达到厘米级,这还不能满足精密的液 位测量,通过大量研咒分析,发现超声波测距产坐误差的原因,我国设计的高 精度赶声波测距仪精度是可以能达到毫米级的图, 根据超声波测距公式=(×T,可知产生的的误差主要是由于超声波的传播 速度的测量误差和测量距离传插的时间误差。

2.4超声波在医学诊新中的应用

1942年奥地利医生首次在医学上利用了超声技术进行人体脑部结构的扫]描,直 方十年代,开始用于人体腹部器官的扫描探测。

目前,超声波诊断根据 不间的成像原理,分为A型、B型、M型、D型超声波四人类。其中A型超声波 也称为超点示或诚诊断,最早在医学上应的,现在已经很少在用了,它是通过 波和显主治特的种方法,主要用于测量肝、胆,脾等器官的径线,以 大小型超声波是通过垩面图形的形式来反映探查组织的一些情况 由用然科法出敏直观,可重复性强,可以前后进行对比,所以在医学上应用 嘴用改产秤、消北条统、心血管及泌标系统的诊源,它在检点时部完将人体首的反制信写转为一些明不同的光点,光点通过光所 示出来型起声主速用观察活动的界面方法,在医学上常用开粒查心 的跳动和对大血管病的断,把这些跳动用曲线形式表示出来称为超声心 图,从而达到观察心各层结构的位置和活动状态的目的,D型超声就也称 为书物声诊断,专门用于检测血液流动情况和各个器官活动的讼断方法 从可以看出血管是不是通畅,官腔有无猴和春,随着科技的发展D型超 蔗波也在更新,新式D型超再被还能测定血液的流 其中加入了彩色编码多 普勒系统统,可以用不同的颜色显示血流的方向,颜色的深浅现实血流的速度 除了这些现在还有立体超声显像超声内窥镜和C等疾病辅助诊断技木,从而 使疾病的论断准确率得到提尚 目超声诊断正间三维方向发展,在怀体期的检测、腹部和胸部肿和 港肌等上都可以得到比较直观的立体图像。随着科学技术的发展,超声波 技术在医学界也发挥着饿大的作用,科学在不断进步,超声技术会更加完善 更好的服务于人类社会 。

2.5超声波在生物技术领域的应用

超声波技术在生物学领域的应用也很广泛,其中超声波的生物学效应在生 物技术中的应用意义尤为重大,下面两点进行介隔 z.5用于培养液和药物的雾化 超声波雾化主要利用电子的高频荡实现,振荡频率L4Mmz或 对于培养液和药物雾化主要利月水中空效,由于水中的穴发生 剧烈的撞,在啬温、高藤的作用下会出现高压水流,如果穴的烈碰撞 发生在水和空气的接触面,劁空宾周围的水粉就会碎成小的微粒,从面形成 水,从水中灌H日智生活中如气加跟器,药物的雾化器咽雾化植物塔 养等都得到了」天的应非,由于水培植物的供养和营养液的循杯装置需求都释 在围难,以应川超声波便营养达削雾化,进行室内栏基质培养或气培植物, 解决了这一困难 高种子的发芽军和透传物质的转化率 「超声波的生物效,在农作物样产及沙地绿化等后面有着重要的用途, 赶神波理的科,炫薩率利子的成捐率都有所改,明以提高作物 樹和草m成活奉,正是因为这样,明以起波的生生物学效应,在农作作物 的增神?排需方面有很大国。如用声波水溶莉黑皮冬瓜种看 行处把社程发试,结果发处理后促进了果求种案的期 理败力目用处处用时松,运你林根和以 种的播择质据种的和:超声不仪可以植 经过超声波的处理可增加鱼 化率与出鱼苗的成活率叫可使细胞通透性增加,利于胞内外物质扩胶 从而利于遗传物质的转化用化药物的治疗和释放胞内代谢等文献报道 超液处理可修复外植体上的微小伤口达到提高农杆和外植体的接触 根,使外植体的进传物质转化率提高 。超声波在军事领城的应用 超声波传播的直线型被泛应用在在军因此司以通过定向发射,然后接 收其皮射回来的波来确目标位置,声纳就是利用这种原理进行主作的,可 用它来确定群或者水下目标的方使,也可以通过超声波扫描来获取海底地 「形地貌和敌方目标的潜艇等,在令年搜寻得航失联容机加H370的行动中,用到 的装备“蓝族金枪鱼”就是利用超声泼扫描对海成进行探测,以确定失联客机 量的大方位,在现代科技归虽然主要应用雷达进行目标的探测,但是水中依然 用声纳进行探测,主要原因是海水本身导电性好,所以对电磁波的吸收能力 很强,雷达探测不到水下的作战目标和其体位冒,超声液在空气中衰减速度 比在固体和液体中快得多,正好和电波相反,种种限制下使得声纳技术的优 势得以显现出来。还有方面就是海水的比热容大,吸收热量的能为较强,因 此红外线技术在水下探謝中就完全丧失了作用,海水本身透光性差,吸收光的 龍为很强是通过光营设备进行目标的监渊和搜寻也是不切实际的,这也使 得声纳技术在军事领域古据有不可动摇的地恼

3,结束语

超声学已经有100多的发展了,它是自应用性很强的学科超声学在 各个颔域都有应用,在国、工农业、医学等领域。它不断借鉴电子学 材料科学.光学固体物理等其他学科的内容,而使自己更加丰富。