什么是超聲波？超聲波是做什么的？

超聲波原理

引言

　什么是超聲波，各種頻段的聲波是什么樣子的？大家先來聽聽20hz--20khz頻率的聲音？

    　                             各個頻率超聲波的聲音播放，超聲波音頻文件

　超聲波最早被人類發(fā)現(xiàn)是在1793年由意大利科學家斯帕拉捷在蝙蝠身上發(fā)現(xiàn)其存在,隨后的30多年里人們進行了有關超聲波的產(chǎn)生機理方面的大量研究,直到1830年F· Savar用齒輪產(chǎn)生24×104HZ的超聲,首次實現(xiàn)了人類在人工控制下超聲波的產(chǎn)生,開啟了超聲歷史的新紀元,其他新技術如壓電效應與逆壓電效應的發(fā)現(xiàn)大大推動了超聲波的快速發(fā)展,在隨后的60年間世界各地區(qū)有關超聲技術的研究不斷的取得突破性成果,20世紀的40年代超聲技木開始應用于臨床邸療方面,這也同樣推動了人類醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展,有關超聲波在醫(yī)學方面的應用與研究取得突破性進展,國際間也有過許多的交流與合作,共同推動了超聲科技的發(fā)展和進步。

　　我國在超聲方面的研究相對落后于國際主流國家,我國由于當時特別的時期和特別的情況,20世紀60年代才開始超聲方面的研究,有關超聲學的相關研究始于也在這個時期真正開始,并且在隨后的幾年發(fā)展中取得了許多重要成果和重要的應用,如金屬探傷、種子的培育、印染等。在基礎研究方面也取得了重要進展,如研制出有關超聲波在固體中衰減所用的檢測設備,進行了有關超聲乳化等課題的研究,研制出分子聲學試驗等設備,表面換能器的相關研究在1960年左右開始。改革開放的新時期,超聲技術開始了實際應用之路,并且在該領域的一些列成果開始走進我們的生產(chǎn)生活之中,例如超聲診斷,高頻壓電材料研制成功并且走向實用,復合型超聲波換能器問世,超聲焊接技術,超聲波清洗技術等一系列的成果逐步應用并且走向成熟,而且還催生了一大批的產(chǎn)業(yè),并 且目前已經(jīng)形成了相當大規(guī)模,鑒于超聲研究的重要性及其所蘊含的巨大潛 力,國家也相應投入大筆資金和人力進行相關的研究,如建立國家級的重點 實驗室,扶植相關科研機構有關超聲方面的研究。

總而言之,我們國內的超 聲學研究取得了長足發(fā)展,有些領域已走在國際水平的前列。 超聲技術是20世紀發(fā)展起來的高新技術,是一門集物理、電子、機械及材 料學為基礎的多學科交叉的邊緣科學,其應用跨涉多個行業(yè)領域。

新技術的應用會推動經(jīng)濟的發(fā)展,也能在某種程度上提高我們的生活質量,也可以增加個人和企業(yè)在日常生產(chǎn)中的安全系數(shù),同時也能降低生產(chǎn)成本,在日新月異的今 天對于提高生產(chǎn)效率也功不可沒。其應用總體上包括兩大方面:第一類是超聲 加工和處理技術;　第二類就是超聲檢測與控制技術,第一類技術應用是通過 超聲波去改變物質本身的特性或者狀態(tài),以滿足生產(chǎn)生活需要。第二類應用主 要是超聲波本身的檢測及測量,這兩類技術的應用非常廣泛,在軍事、農(nóng)業(yè)等 領域的應用不勝枚舉也頗為常見,超聲技術蘊含著巨大的發(fā)展?jié)摿?這也引起 了包括中國在內的美國、德國、加拿大等國內國際的廣泛關注。

1.    超聲波基本原理及傳播特點

1.1什么是超聲波

超聲波是指頻率高于20000Hlz的一種人無法聽見的聲波,由于人耳的聽覺 頻率范圍在20赫茲和200000赫茲之間,若聲音的振動頻率高于20000z人耳就 無法聽到,因此習慣上把頻率高于2000赫茲的聲波稱為超聲波3,當然低于 20赫茲的也不在我們的聽覺范圍內,屬于次聲波,超聲波是一種機械波,機械 振動與波動是超聲波探傷的物理基礎,超聲波也屆于聲波家族中的一員,它與 平常聽到的聲音的本質是一樣的,其共同的特點是都屬于機械振動,屬于能量 和動量之間的一種傳播形式,在彈性介質內常常以縱波的形式傳播,它們之間 不同點在于超聲的頻率高,波長較短所以說超聲波的衍射能力不是很強,在介 質一定密度不變的情況下,超聲波能通常的障礙物都會比超聲波的波長大很多 夠沿著波的方向一致沿直線傳波,超聲波的波長相對來說越短的話,直射能力 就越好,在一定距離范圍內可沿直線傳播,具有非常好的束射性與方向性。

1.2超聲波的基本原理

1.2.1壓電效應及脈沖超聲波的產(chǎn)生

部分固體受到壓力或者拉力時,將會產(chǎn)生形變導致使物質發(fā)生極化,并且 在物質的表面產(chǎn)生正負束縛電荷的現(xiàn)象叫作壓電效應。物質本身的壓電效應和 它的本身內部結構有關,例如石英晶體,它的化學成分為SiO2,可將其看作是 由正4價的Si離子和負2價O離子組成,石英晶體的分子中兩種離子可形成規(guī) 整的六角形排列。如下圖所示,三個正原子形成一個向右的正三角形,正電中 心可看作在三角形的重心處。同上述方法,三個帶負電的原子對將組成一個向 左的三角形,其負電中心也同樣在三角形的重心上,若晶體不受力時,兩個三 角形重心重合,六角形單元呈電中性,同時整個晶體也呈電中性。

石英品體的壓電效應

　　當晶體治x方向受到拉力時或者沿y方向受到壓力時,六角形將沿x方向變形 長這將使得正負電的中心不合最然此時的六角形仍呈現(xiàn)電中性,但 是其正負電中心不重合導致產(chǎn)生電偶極矩p,整個品體中其實有許多這樣的電 偶極矩排列,這也使得晶體出現(xiàn)極化現(xiàn)象,晶體左右表面出現(xiàn)束縛電荷。但是 當外力消失的時候,晶體將會恢復為原狀,極化現(xiàn)象也將會消失。類似的,若 晶體沿y方向受到拉力或者沿x方向受到壓力時,正負原子三角形都將被壓扁 變形,這將也造成正負電中心不重合,但此時電偶極矩的方向和x所受拉力時 方向相反,晶體的極化方向也相反,即壓電效應產(chǎn)生的本質,其他晶體如太酸 鋇,即便是沒有受到外力作用正負電中心仍然不會重合,通常把這種現(xiàn)象叫做 自極化現(xiàn)象,這類晶體中具有壓電效應與逆壓電效應的陶瓷材料常被稱作壓電 陶瓷 若壓電能在披加工成平面形狀以后,在其正反面鍍上銀作電極以后,該 器件被稱作壓電晶片,當給壓電晶片兩極人為施加施加電壓短脈沖時,逆壓電 效應的有在致使晶片將發(fā)生彈性形變,其產(chǎn)生彈性振蕩,由此產(chǎn)生的頻率與晶 片的聲速和厚度有聯(lián)系,只要選擇合適的晶片厚度就可以在可控下得到超聲頻率 范圍的彈性波,也就是通常所說的超聲波,在振動源振動過程中,由于各種因 素的影響,比如能量的損失,導域振幅的慢慢變小,最后它是以超聲波的形式對外進行發(fā)射的,一般把它叫作脈沖波 .

2.2超聲波的波形

超聲波在本質上與普通的聲波是一致的,其許多的傳播規(guī)律和傳播特性具有相同的傳播特點,兩者都是因頻率而劃定界限,因此攜帶的能量也不同,大 體上存在以下三種波形:縱波波形是當傳播媒質中各點振動的方向和超聲波的傳播方向平行時,該波形被稱作縱波波形,縱波是質點的振動方向與傳插方向平行的波,任何固體介質當其體積發(fā)生交替變化時均能產(chǎn)生縱波,縱波在固體、液體和氣體中都可以他播 橫波波媵是當傳播媒質中各點振動向稱的傳播方向垂直時,該超聲波破稱 橫波波形,橫波也稱世凸波,是質點的動方向與波的傳播方向重直,由 于煤質除了能小捉體根變巧外,橫波的產(chǎn)生需悲剪切應力交替作用在物體 如地震波橫波的產(chǎn)生就需要行于地表的力即剪切應力的交替作用。

超聲波在我們的日常生產(chǎn)生活中扮演著舉足輕重的角色和其本身的特點離不開的性質決定其用途,與普通聲波相比,

1）超波具有許多優(yōu)點如直射性好,超聲波的頻率相對來說比較高,它的波長和聲波相相比之下要 短的衍射現(xiàn)象也不是很明顯容易得到定向而集中的波來在定距內沿著直線傳播,在遇到障礙物時會發(fā)生反；

2)功率大叫這是由起聲波本身的特點所決定的,因其波長相對較組,頻率也較高,本身又屬于能量的傳播形式,這也就說明它本身是攜帶了更強的能量,大功率的超聲波簡稱功率超聲

(3)穿透能力強。超聲波在固體成者液體中時衰減很小,這也是其在水下 探測及探傷方畝取得重要應用的原因所在,介質吸收系數(shù)隨波的頻率增大而增 ,超盧波的頻澤增加時其穿透本領會下降,因此在不同的應用中,其頻的 選擇不同在不透明的固體中超聲波能夠無損穿透兒十米的厚度,這反面閏用 于金屬等材料的探傷,液體中用于海底地形掃測和偵察,超聲波在遇到雜質或 者介質分界面時會有明顯的反射,低其弱點在于超聲波在空氣中衰減較快,無 法利用超聲波進行窒車運距離探測 能產(chǎn)生空化作用,

超聲波在液體中傳播時,由于其本身是一種機械波 若液體受壓產(chǎn)生逐級壓,相對比穩(wěn)定,因此液體能耐壓,而承受拉力的能力卻 很差,因此當超聲波的波濃摩足夠大時,承受不住拉力而發(fā)生斷裂,導致其產(chǎn)聲近似于真空或者只含少量氣體的空穴,在聲波的壓縮階段,這些空穴也被壓縮 道到它們崩潰,在這些空穴朋責過程中將會發(fā)生放電并伴隨發(fā)光觀象,此現(xiàn)象被 稱作室化作用,也正是由于這些特點的存在,促使超聲波走進我們的生產(chǎn)生活 在國防、醫(yī)療,科技創(chuàng)新、農(nóng)業(yè)等許多領域得到了重要的應用 ；

2超聲波的應用

   超聲波在農(nóng)業(yè)生活中扮演著極其重要的角色,它的是液涉足的 領城包括超聲診師、超聲波探傷,大功率超聲、船聲理療、聲波撿測、超 聲波處理,在工業(yè)中超聲可用來對材料的內部結構進行檢測和探傷,同時也 可以測量氣體,液體或者固體的物理參數(shù),測量物體的厚度;液面的高度、流 量、精度或者硬度等等,也可以對材料的焊縫處,粘接處等進行全面檢查。

　在其他應用方面如超聲波清洗和加工處理還可以被應用在切割、焊接、噴霧、乳 化、電鍵等工藝中,超聲波清洗技術是一種高效率的洗滌方法,已經(jīng)在尖端和 管 精密工業(yè)中得到普及。

　　大功率超聲也可用于機械加工之中,使超聲波在拉 拉絲、擠壓和鉚接等工藝中得到應用。醫(yī)學中的超聲波診斷發(fā)展甚快,且應用 效果很好,已經(jīng)成為醫(yī)學上大影象診斷方法之一,與X線、同位素分別應用 于不同場合,例如超聲波理療、超聲波診斷、腫瘤治療和結石粉碎等。

在農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)中,可以用超聲波對有機體細胞的殺傷的特性來進行消毒滅菌,對作物種 子進行超聲波處理,有利于堤高種子發(fā)芽率和也能促使作物增產(chǎn)增收。

此外超 聲波的液體處理和凈化也可應用于環(huán)境保護中,例如超聲波水處理、燃油乳化 大氣除塵等,微波超聲的應用重點在于微波電子器件,已經(jīng)制成了超聲波延遲 線、聲電放大器、聲電濾波器、脈沖壓縮濾波器等,以下面就對超聲波的幾個 典型應用加以描述:

2.1超聲波在制漿造紙工業(yè)中的應用

2.11紙漿預處理

利用超聲技未處理紙漿,使之產(chǎn)生機械的打漿效應。研究發(fā)現(xiàn),利用超 聲波處理木漿,其有與機械打漿、精漿相類似的效果,可對纖維細胞壁產(chǎn)生位 移、變形以及細纖維化等作用,這主要是由于超聲波空化產(chǎn)生的微流對纖維的 沖擊、剪切作用,使纖維纖維細胞壁出現(xiàn)裂紋、發(fā)生位移和變形,初生壁和次 生壁外層破裂脫除,次生壁中層暴露出來:或使纖維產(chǎn)生縱向分裂,發(fā)生細纖 維化。超聲波處理不僅對纖維有機械打漿效應,面且經(jīng)超聲波處理后,纖維的 保水值增大,纖維的可及度和反應性能顯著提高。對于含較多果膠質的纖雛, ‖利用超聲波達到脫膠效果超聲波對于合成纖維的表面更是發(fā)揮了很好的作用, 河以活化纖維表面,是纖維表面的含氧官能團增加,引起纖維表面張力中極性 分子增加,研究還發(fā)現(xiàn),超聲波刈纖維表面有刻蝕作用,纖維比表面增加,大 大提高了纖維的層間結合能力,由于高分子化合物與液體之間超聲速度差產(chǎn) 生榛力,使纖維結構破壞。使用超聲波處琲各種紙漿,使纖維達到潤脹, 層剿離,細纖維化,從面增擁成紙弧度。

2.1.2超聲波檢測

超聲波檢測,它是利用與某些描述介質聲學特性的超聲量(如 之間存在的米 這些超聲量的測定來分析介質的特性,評偷 工L程有關的參量叫超聲波傳播的方向性很好尤其在液體和固體中傳播時滾 很小超波酒到質時會榮到散射和吸收,到媒分界面時有顯著的反時 利用這些特性,可以通過測量定能量超聲波在固體懸浮物的液體中傳播時的 減量間接得到液體中固體懸浮物的含量:由此可以測定和制漿料成水 的濃度,據(jù)此原理生產(chǎn)的超聲流量計、超聲波料位儀等目有反應嫩測量精 度高、對人體沒有傷害等優(yōu)點用用超聲波直接滿定紙張的抗張挺度取向,檢 過程無創(chuàng)傷、快速,測定結果直接準確,是紙張檢測很好的具用超 技術檢測真空系統(tǒng)泄漏,是行之有效的方法,具有簡單快捷,準確果成本低 操作簡單等特點。

2.2超聲波傳感器

超聲波傳感器在流量材料的無損檜測、物體位置的測量中應用極 廠泛,國此,超波傳器的地位就顯得特別重要,首先簡單的介繼下超聲 波傳感器,超聲波傳感器分為兩類,分別是接受換能器和發(fā)射換能器,這兩者 是不,接反換能器利用進壓電效應面發(fā)換能器利用壓電效應,超 聲波換能器又畦超聲波,是指在超聲頻率范田內,將交變的電鐳號轉換成 聲信號的轉換諾:或者將聲場中的聲信號轉挨為電信號的能量轉渙器件,它 本身既能產(chǎn)生超聲波又能接受超聲波的回波,從而實現(xiàn)手能量的轉換,超聲換 按照結構分古直探頭,斜探法、表面波探、單探頭、雙探頭、聚焦探頭等。 按照物理效應不同分為電動式、電磁式、磁致伸縮式和電致伸縮式等 隨著材料科學的發(fā)及對某些材料話識的突破,超聲波換能器的發(fā)展也被 帶動起來了作為換能器的材料也開始有多種選擇,例如品體、陶瓷、聚合物 等這些電介質。,當對這些電價質在某個方向上施加作用力時,這些電介質內 部的電極化狀態(tài)就會隨之改變,在其的某相對兩表面就會出現(xiàn)束縛電荷,這些 電荷與外力成正比,由于外加作用為使電介質帶電的現(xiàn)象稱為壓電效應相 地如果給這些電介質外加出電場,于電場的作用,其內部電極化狀態(tài)將會 皮生的化,P 為五港,電單品體積多品體、壓電高分子聚合物、復合壓電材料電 山電陶能是壓電晶材料的核心,它的的壓電性能比較好,電陶 年的歷史在材料基礎研究和實際應用中都發(fā)壇迅速,避 出出項使電能器的實際應用上廠一個新的臺研所以壓電 除是現(xiàn)今力最大用論最有的壓材料目前在壓電材料中處于皮配地位 易酸堿腐蝕損壞壓電性能 性能器彈請以滿是不域的需求易加工,設 各種形由于不同的形狀和電極化細,從而可得到各種振動 筒,生產(chǎn)周期短 超波傳感器根據(jù)實深需要不同可以產(chǎn)生相應的 例如頻率在30k2到 H之間可以應用在流量測量城中在30kH到20kHz之間可以應用在物 位薄量中當應用在檢測裝置上時,要求波的頻率范圍就很寬

2.3超聲波測距

超聲波在介質中有排他性、能量耗較慢,傳播距離較近的特點因此 可用在測距方面。超聲波測距是指超聲波發(fā)出后遇到障礙物被反射回來的時間 根據(jù)發(fā)射和收的時f[差來計算發(fā)射點到障礙物的距離。其中已知量為超聲波 在空氣中的傳播速度超聲波淵距的其體公式為 SCXI 式中s為測量點到障礙的距離C為超聲波在氣中的傳播速度;T為測量點 到被測物體距離「傳播的時間差 超聲波測距在日常生活的應用廣泛,主要應用在倒車提閣、趁速檢游 筑業(yè)等,超聲波測距雖然湖量精度能達到理米級,但探測距離貝有兒米, 所以對它的藏用也大太有所限制。由于超聲波具有可以定向發(fā)射、強度容易控 刮和不需要直接接觸測量物體的優(yōu)點,所以可作為液體高度謝量、目前國內的曲 制造的超聲波測距集成電路的測量精度只達到厘米級,這還不能滿足精密的液 位測量,通過大量研咒分析,發(fā)現(xiàn)超聲波測距產(chǎn)坐誤差的原因,我國設計的高 精度趕聲波測距儀精度是可以能達到毫米級的圖, 根據(jù)超聲波測距公式=(×T,可知產(chǎn)生的的誤差主要是由于超聲波的傳播 速度的測量誤差和測量距離傳插的時間誤差。

2.4超聲波在醫(yī)學診新中的應用

1942年奧地利醫(yī)生首次在醫(yī)學上利用了超聲技術進行人體腦部結構的掃]描,直 方十年代,開始用于人體腹部器官的掃描探測。

目前,超聲波診斷根據(jù) 不間的成像原理,分為A型、B型、M型、D型超聲波四人類。其中A型超聲波 也稱為超點示或誠診斷,最早在醫(yī)學上應的,現(xiàn)在已經(jīng)很少在用了,它是通過 波和顯主治特的種方法,主要用于測量肝、膽,脾等器官的徑線,以 大小型超聲波是通過堊面圖形的形式來反映探查組織的一些情況 由用然科法出敏直觀,可重復性強,可以前后進行對比,所以在醫(yī)學上應用 嘴用改產(chǎn)秤、消北條統(tǒng)、心血管及泌標系統(tǒng)的診源,它在檢點時部完將人體首的反制信寫轉為一些明不同的光點,光點通過光所 示出來型起聲主速用觀察活動的界面方法,在醫(yī)學上常用開粒查心 的跳動和對大血管病的斷,把這些跳動用曲線形式表示出來稱為超聲心 圖,從而達到觀察心各層結構的位置和活動狀態(tài)的目的,D型超聲就也稱 為書物聲診斷,專門用于檢測血液流動情況和各個器官活動的訟斷方法 從可以看出血管是不是通暢,官腔有無猴和春,隨著科技的發(fā)展D型超 蔗波也在更新,新式D型超再被還能測定血液的流 其中加入了彩色編碼多 普勒系統(tǒng)統(tǒng),可以用不同的顏色顯示血流的方向,顏色的深淺現(xiàn)實血流的速度 除了這些現(xiàn)在還有立體超聲顯像超聲內窺鏡和C等疾病輔助診斷技木,從而 使疾病的論斷準確率得到提尚 目超聲診斷正間三維方向發(fā)展,在懷體期的檢測、腹部和胸部腫和 港肌等上都可以得到比較直觀的立體圖像。隨著科學技術的發(fā)展,超聲波 技術在醫(yī)學界也發(fā)揮著餓大的作用,科學在不斷進步,超聲技術會更加完善 更好的服務于人類社會 。

2.5超聲波在生物技術領域的應用

超聲波技術在生物學領域的應用也很廣泛,其中超聲波的生物學效應在生 物技術中的應用意義尤為重大,下面兩點進行介隔 z.5用于培養(yǎng)液和藥物的霧化 超聲波霧化主要利用電子的高頻蕩實現(xiàn),振蕩頻率L4Mmz或 對于培養(yǎng)液和藥物霧化主要利月水中空效,由于水中的穴發(fā)生 劇烈的撞,在嗇溫、高藤的作用下會出現(xiàn)高壓水流,如果穴的烈碰撞 發(fā)生在水和空氣的接觸面,劁空賓周圍的水粉就會碎成小的微粒,從面形成 水,從水中灌H日智生活中如氣加跟器,藥物的霧化器咽霧化植物塔 養(yǎng)等都得到了」天的應非,由于水培植物的供養(yǎng)和營養(yǎng)液的循杯裝置需求都釋 在圍難,以應川超聲波便營養(yǎng)達削霧化,進行室內欄基質培養(yǎng)或氣培植物, 解決了這一困難 高種子的發(fā)芽軍和透傳物質的轉化率 「超聲波的生物效,在農(nóng)作物樣產(chǎn)及沙地綠化等后面有著重要的用途, 趕神波理的科,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,正是因為這樣,明以起波的生生物學效應,在農(nóng)作作物 的增神?排需方面有很大國。如用聲波水溶莉黑皮冬瓜種看 行處把社程發(fā)試,結果發(fā)處理后促進了果求種案的期 理敗力目用處處用時松,運你林根和以 種的播擇質據(jù)種的和:超聲不儀可以植 經(jīng)過超聲波的處理可增加魚 化率與出魚苗的成活率叫可使細胞通透性增加,利于胞內外物質擴膠 從而利于遺傳物質的轉化用化藥物的治療和釋放胞內代謝等文獻報道 超液處理可修復外植體上的微小傷口達到提高農(nóng)桿和外植體的接觸 根,使外植體的進傳物質轉化率提高 。超聲波在軍事領城的應用 超聲波傳播的直線型被泛應用在在軍因此司以通過定向發(fā)射,然后接 收其皮射回來的波來確目標位置,聲納就是利用這種原理進行主作的,可 用它來確定群或者水下目標的方使,也可以通過超聲波掃描來獲取海底地 「形地貌和敵方目標的潛艇等,在令年搜尋得航失聯(lián)容機加H370的行動中,用到 的裝備“藍族金槍魚”就是利用超聲潑掃描對海成進行探測,以確定失聯(lián)客機 量的大方位,在現(xiàn)代科技歸雖然主要應用雷達進行目標的探測,但是水中依然 用聲納進行探測,主要原因是海水本身導電性好,所以對電磁波的吸收能力 很強,雷達探測不到水下的作戰(zhàn)目標和其體位冒,超聲液在空氣中衰減速度 比在固體和液體中快得多,正好和電波相反,種種限制下使得聲納技術的優(yōu) 勢得以顯現(xiàn)出來。還有方面就是海水的比熱容大,吸收熱量的能為較強,因 此紅外線技術在水下探謝中就完全喪失了作用,海水本身透光性差,吸收光的 龍為很強是通過光營設備進行目標的監(jiān)淵和搜尋也是不切實際的,這也使 得聲納技術在軍事領域古據(jù)有不可動搖的地惱

3,結束語

超聲學已經(jīng)有100多的發(fā)展了,它是自應用性很強的學科超聲學在 各個頷域都有應用,在國、工農(nóng)業(yè)、醫(yī)學等領域。它不斷借鑒電子學 材料科學.光學固體物理等其他學科的內容,而使自己更加豐富。