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超声波原理及应用专题小论文

超声波原理及其在生活中的应用

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摘要：

本文第一部分主要介绍超声波产生与传播及其特点，包括什么是超声波、波的传播、超声波的特点等；第二部分主要介绍实验过程，包括实验方法、实验现象及实验结果；第三部分主要介绍超声波技术的应用，包括超声波传感器、超声波测距、超声波在医疗方面的应用等。

关键词：

超声波、产生及传播原理、特点、实验方法、发展及应用

背景：

自19世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。

1922年，德国出现了首例超声波治疗的发明专利。

1939年发表了有关超声波治疗取得临床效果的文献报道。

40年代末期超声治疗在欧美兴起，直到1949年召开的第一次国际医学超声波学术会议上，才有了超声治疗方面的论文交流，为超声治疗学的发展奠定了基础。

1956年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表，超声治疗进入了实用成熟阶段。

并且在21世纪（HIFU）超声聚焦外科已被誉为是21世纪治疗肿瘤的最新技术。

正文：

一、超声波的产生与产生及其原理

1、什么是超声波

所谓超声波，是指人耳听不见的声波。

正常人的听觉可以听到20赫兹（Hz）-20千赫兹（kHz）的声波，低于20赫兹的声波称为次声波或亚声波，超过20千赫兹的声波称为超声波。

超声波是声波大家族中的一员，和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内传播，是一种能量和动量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。

2、波的传播

超声波是波的一种，他的传播完全符合波的传播特点。

所以超声波在介质中传播的波形取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质激发超声波。

通常有如下三种波形:

纵波波形：

当媒质中各体元振动的方向与波传播的方向平行时，此超声波为纵波波形。

任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。

横波波形：

当媒质中各体元振动的方向与波传播的方向垂直时，此种超声波为横波波形。

由于媒质除了能承受体积变形外，还能承受切变变形，因此，当其有剪切应力交替作用于媒质时均能产生横波。

横波只能在固体介质中传播。

表面波波形：

是沿着两种媒质的界面传播的具有纵波和横波的双重性质的波。

表面波可以看成是由平行于表面的纵波和垂直于表面的横波合成,振动质点的轨迹为一椭圆，在距表面1/4波长深处振幅最强，随着深度的增加很快衰减，实际上离表面一个波长以上的地方，质点振动的振幅已经很微弱了。

3、超声波传播的特点

总的来说与可闻波相比,超声波由于频率高、波长短,在传播过程中具有许多其特有的性质:

1）方向性好。

由于超声波的频率高,其波长较同样介质中的声波波长短得多,衍射现象不明显,所以超声波的传播方向好。

2）能量大。

超声波在介质中传播,当振幅相同时,振动频率越高能量越大。

因此,它比普通声波具有大得多的能量。

3）穿透能力强。

超声波虽然在气体中衰减很强,但在固体和液体中衰减较弱。

在不透明的固体中,超声波能够穿透几十米的厚度,所以超声波在固体和液体中应用较广。

4）引起空化作用。

在液体中传播时,超声波与声波一样是一种疏密的振动波,液体时而受拉时而逐级压,产生近于真空或含少量气体的空穴。

在声波压缩阶段,空穴被压缩直至崩溃。

在空穴崩溃时产生放电和发光现象,这种现象称为空化作用。

也正是这些特点，使得超声波在工业、农业、医学、军事等众多方面都有着及其广泛的应用。

二、实验过程

1．直探头延迟的测量

超声波实验仪接上直探头，并把探头放在CSK-IB试块的正面，仪器的射频输出与示波器第1通道相连，触发与示波器外触发相连，示波器采用外触发方式，适当设置超声波实验仪衰减器的数值和示波器的电压范围与时间范围，使示波器上看到的波形如图1.7所示。

在图1.7中，S称为始波，t0对应于发射超声波的初始时刻；B1称为试块的1次底面回波，t1对应于超声波传播到试块底面，并被发射回来后，被超声波探头接收到的时刻，因此t1对应于超声波在试块内往复传播的时间；B2称为试块的2次底面回波，它对应于超声波在试块内往复传播到试块的上表面后，部分超声波被上表面反射，并被试块底面再次反射，即在试块内部往复传播两次后被接收到的超声波。

依次类推，有3次、4次和多次底面反射回波。

从示波器上读出传播t1和t2，则直探头的延迟为

（结果为0.4μs）（1.6）

2．脉冲波频率和波长的测量

调节示波器时间范围，使试块的1次底面回波出现在示波屏的中央，脉冲波的振幅小于1V。

测量两个振动波峰之间的时间间隔，则得到一个脉冲周期的振动时间t，则脉冲波的频率为f=1/t；已知铝试块的纵波声速为6.32mm/us，则脉冲波在铝试块中的波长为l=6.32t。

3．波型转换的观察与测量

把超声波实验仪换上可变角探头，参照图1.8把探头放在试块上，并使探头靠近试块背面，使探头的斜射声束只打在R2圆弧面上。

适当设置超声波实验仪衰减器的数值和示波器的电压范围图1.8观察波型转换现象

与时间范围。

改变探头的入射角，并在改变的过程中适当移动探头的位置，使每一个入射角对应的R2圆弧面的反射回波最大。

则在探头入射角由小变大的过程中，我们可以先后观察到回波B1、B2和B3；它们分别对应于纵波反射回波、横波反射回波和表面波反射回波。

图1.9横波和纵波的测量

让探头靠近试块背面，通过调节入射角调，使能够同时观测到回波B1和B2（如图1.9），且它们的幅度基本相等；再让探头逐步靠近试块正面，则又会在B1前面观测到一个回波b1，

4．折射角的测量

确定B1、B2的波型后，可以分别测量纵波和横波的折射角。

参照图1.10首先让把探头的纵波声束对正（回波幅度最大时为正对位置）CSK-IB试块上的横孔A，用钢板尺测量正对时探头的前沿到试块右边沿的距离LA1；然后向左移动探头，再让纵波声束对正横孔B，并测量距离LB1。

测量A和B的水平距离L和垂直距离H，则探头的折射角为：

（测为46.6度）（1.7）

同样的方法可以测量横波的折射角b2。

图1.10折射角的测量

5.声速的直接测量方法

根据公式（2.1），当利用确定反射体（界面或人工反射体）测量声速时，我们只需要测量该反射体的回波时间，就可以计算得到声速。

而对于单个的反射体，得到的反射波如图2.1所示。

能够直接测量的时间包含了超声波在探头内部的传播时间t0，即探头的延迟。

对于任何一种探头，其延迟只与探头本身有关，而与被测的材料无关。

因此，首先需要测量探头的延迟，然后才能利用该探头直接测量反射体回波时间。

图2.1纵波延迟测量

（1）直探头延迟测量（参看实验1）。

（2）斜探头延迟测量

参照图2.2把斜探头放在试块上，并使探头靠近试块正面，使探头的斜射声束能够同时入射在R1和R2圆弧面上。

适当设置超声波实验仪衰减器的数值和示波器的电压范围与时间范围。

在示波器上同时观测到两个弧面的回波B1和B2。

测量它们对应的时间t1和t2。

由于R2=2R2，因此斜探头的延迟为：

（2.7）

（3）斜探头入射点测量

在确定斜探头的传播距离时，通常还要知道斜探头的入射点，即声束与被测试块表面的相交点，用探头前沿到该点的距离表示，又称前沿距离。

参照图2.2把斜探头放在试块上，并使探头靠近试块正面，使探头的斜射声束入射在R2圆弧面上，左右移动探头，使回波幅度最大（声束通过弧面的圆心）。

这时，用钢板尺测量探头前沿到试块左端的距离L，则前沿距离为：

（2.8）

图2.2斜探头延迟和入射点测量

6.声速的相对测量方法

如果被测试块有两个确定的反射体，那么通过测量两个反射体回波对应的时间差，再计算出试块的声速。

这种方法称为声速的相对测量方法。

对于直探头，可以利用均匀厚度底面的多次反射回波中的任意两个回波进行测量。

对于斜探头，则利用CSK-IB试块的两个圆弧面的回波进行测量。

7.声束扩散角的测量

如图3.3所示，利用直探头分别找到BF1通孔对应的回波，移动探头使回波幅度最大，并记录该点的位置x0及对应回波的幅度；然后向左边移动探头使回波幅度减小到最大振幅的一半，并记录该点的位置x1；同样的方法记录下探头右移时回波幅度下降到最大振幅一半对应点的位置x2；则直探头扩散角为：

（3.2）

图3.3探头扩散角的测量

对于斜探头，首先必须测量出探头的折射角b，然后利用测量直探头同样的方法，按下式计算斜探头的扩散角近似为：

（3.3）

8.直探头探测缺陷深度

在超声波探测中，可以利用直探头来探测较厚工件内部缺陷的位置和当量大小。

把探头按图3.4位置放置，观察其波形。

其中底波是工件底面的反射回波。

图3.4直探头探测缺陷深度

对底面回波和缺陷波对应时间（深度）的测量，可以采用绝对测量方法，也可以采用相对测量方法。

利用绝对测量方法时，必须首先测量（或已知）探头的延迟和被测材料的声速，具体方法请参看实验二直探头延迟和声速的绝对测量方法。

利用相对测量方法时，必须有与被测材料同材质试块，并已知该试块的厚度，具体方法请参看实验二直探头延迟和声速的相对测量方法。

9.斜探头测量缺陷的深度和水平距离

利用斜探头进行探测时，如果测量得到超声波在材料中传播的距离为S，则其深度H和水平距离L为：

（3.4）

（3.5）

其中b是斜探头在被测材料中的折射角。

要实现对缺陷进行定位，除了必须测量（或已知）探头的延迟、入射点外，还必须测量（或已知）探头在该材质中的折射角和声速。

通常我们利用与被测材料同材质的试块中两个不同深度的横孔对斜探头的延迟、入射点、折射角和声速进行测量。

参看图3.5，A、B为试块中的两个横孔，让斜探头先后对正A和B，测量得到它们的回波时间tA、tB，探头前沿到横孔的水平距离分别为xA、xB，已知它们的深度为HA、HB，则有：

图3.5斜探头参数测量

（3.6）

（3.7）

折射角：

（3.8）

声速：

（3.9）

延迟：

（3.10）

前沿距离：

（测为9.15cm）（3.11）

三、超声波技术的应用

1、超声波传感器

由于许多仪器及控制应用中均涉及到超声波传感器，尤其是在流量测量，材料无损检验及物位测量等方面，超声波传感器的应用尤为普遍。

所以，在此首先简要的介绍一下超声波传感器。

广义上来讲，它是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件，又称为超声波换能器或者超声波探头。

超声波传感器分为发射换能器和接收换能器，既能发射超声波又能接受发射出去的超声波的回波。

发射换能器利用压电元件的逆压电效应，而接收换能器则是利用压电效应。

超声换能器的种类很多，按照其结构可分为直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头、双探头（一个发射，一个接收）、聚焦探头（将声波聚集成一束）、水浸探头（可浸在液体中）以及其它专用探头。

按照实现超声换能器机电转换的物理效应的不同可将换能器分为电动式、电磁式、磁致式、压电式和电致伸缩式等。

超声波换能器的材料也有多种选择，某些电介质（例如晶体、陶瓷、高分子聚合物等）在其适应的方向施加作用力时，内部的电极化状态会发生变化，在电介质的某相对两表面内会出现与外力成正比的符号相反的束缚电荷，这种由于外力作用使电介质带电的现象叫做压电效应。

相反地，若在电介质上加一外电场，在此电场作用下，电介质内部电极化状态会发生相应的变化，产生与外加电场强度成正比的应变现象，这一现象叫做逆压电效应。

压电材料是压电换能器的研制、应用和发展的关键。

大致可分为五类：

压电单晶体、压电多晶体、压电半导体、压电高分子聚合物、复合压电材料。

其中压电陶瓷是压电多晶体材料，这类压电陶瓷为实心，均匀和一体的压电功能材料，具有优良的压电性能。

压电陶瓷自问世以来，至今已有30多年历史。

无论在材料基础研究方面或是在应用方面，都获得了飞速的发展。

由于压电陶瓷的出现，开辟了压电材料的广阔前景，也使压电换能器的理论发展和实际应用提高到一个新的高度。

压电陶瓷是当今最有可为的压电材料，目前在压电材料中无论数量上还是质量上均处于支配地位，其原因是它有如下优点：

（l）所用原材料价廉且易得；

（2）具有非水溶性，遇潮不易损坏；

（3）压电性能优越；

（4）品种繁多，性能各异，可满足不同的设计要求；

（5）机械强度好，易于加工成各种不同的形状和尺寸；

（6）采用不同的形状和不同的电极化轴，可以得到所需的各种振动模式；

（7）制作工艺较简单，生产周期较短，价格适中。

根据不同的实际应用情况，超声波传感器产生不同频率。

如应用在流量测量领域，声波的频率在30kHz到5MHz之间；应用在物位测量领域时，声波的频率会低一些，一般在30kHz到200kHz之间；而当应用在检测装置（如测厚仪和探伤检验装置）上时，声波的频率范围很广，但是总体上来说要比用于其它领域时高很多。

2、超声波测距

超声波因其指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远等特点，而经常用于进行各种测量。

如利用超声波在水中的发射，可以测量水深、液位等．利用超声波测距，使用单片机系统，设计合理，计算处理也较方便，测量精度能达到各种场合使用的要求。

3、超声波在医疗方面的应用

医学上最早利用超声波是在1942年，奥地利医生杜西克首次用超声技术扫描脑部结构；以后到了60年代医生们开始将超声波应用于腹部器官的探测【14】。

如今超声波扫描技术已成为现代医学诊断不可缺少的工具。

医学超声波检查的工作原理与声纳有一定的相似性，即将超声波发射到人体内，当它在体内遇到界面时会发生反射及折射，并且在人体组织中可能被吸收而衰减。

因为人体各种组织的形态与结构是不相同的，因此其反射与折射以及吸收超声波的程度也就不同，医生们正是通过仪器所反映出的波型、曲线，或影象的特征来辨别它们。

此外再结合解剖学知识、正常与病理的改变，便可诊断所检查的器官是否有病。

目前，医生们应用的超声诊断方法有不同的形式，可分为A型、B型、M型及D型四大类。

A型：

是以波形来显示组织特征的方法，主要用于测量器官的径线，以判定其大小。

可用来鉴别病变组织的一些物理特性，如实质性、液体或是气体是否存在等。

B型：

用平面图形的形式来显示被探查组织的具体情况。

检查时，首先将人体界面的反射信号转变为强弱不同的光点，这些光点可通过荧光屏显现出来，这种方法直观性好，重复性强，可供前后对比，所以广泛用于妇产科、泌尿、消化及心血管等系统疾病的诊断。

M型：

是用于观察活动界面时间变化的一种方法。

最适用于检查心脏的活动情况，其曲线的动态改变称为超声心动图，可以用来观察心脏各层结构的位置、活动状态、结构的状况等，多用于辅助心脏及大血管疫病的诊断。

D型：

是专门用来检测血液流动和器官活动的一种超声诊断方法，又称为多普勒超声诊断法。

可确定血管是否通畅、管腔有否狭窄、闭塞以及病变部位。

新一代的D型超声波还能定量地测定管腔内血液的流量。

近几年来科学家又发展了彩色编码多普勒系统，可在超声心动图解剖标志的指示下，以不同颜色显示血流的方向，色泽的深浅代表血流的流速。

现在还有立体超声显象、超声CT、超声内窥镜等超声技术不断涌现出来，并且还可以与其他检查仪器结合使用，使疾病的诊断准确率大大提高。

超声波技术正在医学界发挥着巨大的作用，随着科学的进步，它将更加完善，将更好地造福于人类。

结语：

超声学是一门应用性和边缘性很强的学科，从它一百多年来的发展可以看出，超声学是随着它在国防、工农业生产、医学、基础研究等领域中应用的不断深入而得到发展的。

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。

同时，超声学的发展又为这些学科的发展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。

如超声探伤和超声成像技术都是借鉴了雷达的原理和技术而发展起来的，而超声的发展又为电子学、光电子学、雷达技术的发展提供了超声延迟线、滤波器、卷积器、声光调制器等重要的体波和表面波器件。

通过这次的实验，我对超声波的各方面都有了一定的了解，我相信这对我以后的学习和运用都有很大的帮助，另外，虽然我没有参加物理实验竞赛，但是自己用超声波弄了一个非接触式体温计，虽然做得不太好，但也算是超声波传感器的一种应用吧。

参考文献：

1、《大学物理实验》牛原

2、XX百科-超声波原理和应用

3、搜搜百科-超声波原理和应用