超声波的原理及其应用.docx

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超声波的原理及其应用

超声波的原理及其应用

摘要.错误！

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1.绪论.25

2.超声波的基本原理.26

2.1什么是超声波26

2.2波的传播26

2.3超声波传播的特点32

3.超声波的应用.32

3.1超声波传感器33

3.2超声波测距34

3.3超声波测量流量36

3.4超声波提取技术39

3.5超声清洗40

3.6超声波在军事中的应用42

3.7超声波技术在纳米材料制备中的应用42

3.8超声波在医疗方面的应用43

4.后记.44

5.致谢.错误！

未定义书签。

参考文献.44

湖北师范学院学士学位论文评审表.错误！

未定义书签。

超声波的原理及其应用

1.绪论

早在1830年，F•Savart曾用齿轮，第一次产生2.4104HZ的超声，1876年F・Galton用气哨产生3104Hz的超声。

1912年4月10日，泰坦尼克号触冰山沉没，引起科学界注意，希望可以探测到水下的冰山。

直到第一次世界大战中，德国大量使用潜艇，击沉了协约国大量舰船，探测潜艇的任务又提到科学家的面前⑴。

当时的科学家郎之万和他的朋友利用当时已出现的功率很大的放大器和石英压电晶体结合起来，能向水下发射几十千赫兹的超声波，成功的将超声波应用到实际中。

我国解放前超声研究是个空白，超声学的研究始于1956年的12年科学规划。

1959年超声应用（探伤、加工、种子处理、显示、医疗、粉碎、乳化及染料等）取得了进展。

在基础研究反面也有相当深度，如棒的声振动、超声乳化和水中气泡的超声吸收问题；建立了分子声学试验设备，对弛豫吸收、悬浮体的声吸收进行了系列研究；建立了固体中超声衰减的测量设备；对粘弹性和可压缩流体的声速和衰减进行了深入研究。

1965年开始研究了声表面波换能器。

进入80年代，我国超声学面向实际应用。

B超医疗开始投入生产；超声加工、超声研磨、超声焊接、超声清洗、超声催化与滤矿及超声技术育种等逐步开始形成一定规模的产业。

压电复合换能器研制成功，窄脉冲短余振探头问世；PVDF新颖压电薄膜换能器及超声显微镜获得实用；高频压电材

料LiNbO3研制成功和走向实用［2］。

九十年代以来，在中国科学院声学研究所与南京大学声学研究所相继批准建立了国家级重点实验室。

总之，我国的超声学研究过的巨大的发展，有些方面已达到国际先进水平。

超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的、各行各业都要遇上的通用技术之一。

在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运行，降低生产成本，提高生产效率特别具有潜在能力。

因此，我国近十年来，对超声技术的应用研究十分活跃，涉及的应用范围非常广泛。

但归纳起来，也无非是两大类：

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［3］，其他的超声理论和实验，实际上都是为这两类应用服务的。

超声加工和处理技术是利用高强度的超声波来改变物质的性质和状态

的技术。

超声钻孔、清洗、焊接、粉碎、凝聚、萃取、催化等都是这类技术中的典型应用。

超声检测与控制技术是利用较弱的超声波来进行各种检验和测量，必要时可以进行自动控制的技术。

在检验技术方面，最典型的应用就是超声探伤和超声检漏等。

在测量技术方面，媒质的许多非声学特性和媒质的某些状态参量都可以用超声方法来加以测定。

而不论是超声加工处理技术还是超声检测与控制技术，都要涉及到超声波的产生和检收，这就是所谓的超声换能技术。

但不论是超声波的应用或超声换能器的设计都要涉及到超声波的传播理论；也都要用到超声波的某些效应和作用；而为了定量的进行研究就脱不开超声量的测量问题。

因此这三方面内容就成为超声学理论和实验的基础。

超声应用的发展促进了这些基本问题的研究，而这些基本问题方面的成就又进一步指导了超声应用技术的发展。

超声波的应用十分广泛，不光是工业，在医疗，军事等其他众多方面的应用文中也给以总结，概括。

2.超声波的基本原理

超声波的基本原理是其应用的基础，只有在了解其原理的基础上才能更好的应用超声波，促进超声波的发展，下面就对其原理作简要介绍。

2.1什么是超声波

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。

2.2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[5]:

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。

2.2.1平面简谐波方程

平面波传播时，若媒质中体元均按余弦（或正弦）规律运动，叫平面简谐波。

这是最基本的波动形式，一些复杂的波可视为平面简谐波的叠加。

平面简谐波方程定量的描述出每个体元的运动学状态，解决平面简谐波

的运动学问题。

设平面简谐波沿x轴传播，y为体元距平衡位置的位移，贝

—x—

y=Acos（t）=Acosk（vt"x）（2.1）

v

川=2二/T=2二、（2.2）

式中，A为振幅，「为圆频率,取决于波源频率■■ok=—=2二；■■■■■,常称

v

为波数。

2.2.2平面简谐波波动方程

要深刻了解超声波，仅从运动学角度研究还不够，也要对波作动力学分析才能看到波传播的机制并能进一步研究超声波［4］。

下面简单介绍下波动方程与波速。

（1）波动方程

横波的波动方程：

2,2

yN：

y-722

（2.3）

（2.4）

.t:

；x

式中N为剪切模量，t为媒质密度。

纵波的波动方程：

¥=1文

式中丫为杨氏模量

⑵波速

对式（2.1）做偏导数运算，并带入式（2.3）可得横波的波速:

（2.5）

v横二.N:

同理可得

（2.6）

流体中纵波的波速为

v纵二K”

v纵二.丫

（2.7）

式中K为流体的体变模量，且与热过程有关

223平均能流密度，声强与声压

媒质中波的能量分布包括动能和势能，都会参与能量转换，单位体积媒质所具有的能量叫能量密度，表示媒质中能量的分布情况，其表达式为

（2.8）

又因正弦函数平方在一

；=腥=「‘2A2sin2‘（t_x）

能量密度在一周期内的平均值即平均能量密度,

1

周期内的平均值为丄，故：

2

丁?

2A2sin2（t_X）dt二1二2a2

v2

dV

（2.9）

对于一定媒质，各点能量密度对时间的平均值和角频率平方与振幅平方成正比。

而平均能流密度则是矢量，大小为单位时间内通过与波传播方向垂直的单位面积的能量，方向沿波的传播方向，其大小也叫声强，为

I-；v=—"2A2v

2（2.10）

声强对面积积分，则得到声功率，单位为瓦（W普通声波的声功率通常很小，1000万人同时说话，也只有100W的功率。

但超声波的声功率却很大，可以被广泛应用。

在有声波传播的空间，某一点在某一瞬时的压强p与没有声波时压强p0的差，叫作该点处瞬时的声压，与体元速度有密切联系【4】。

（2.11）

若波沿x轴传播，声压与体元速度关系可用如下的声压波方程表示

p==PgAcos|議—口（2.12）

]Iv丿2一

Pmax二’汀■A即声压幅；

若波逆x轴传播，声压波方程为p--，将p和）分别对比于电压和

电流，八..相当于电阻，称为波阻或声阻，记作Z八。

另外，声波传播时，能流密度和声压幅将衰减。

球面波因波射线发散而波面增大，有限能流在越来越大的面积上分布，故声强声压幅均衰减。

另一方面，即使对平面波，部分能量也会被媒质吸收，转变为热运动能量，声强亦逐步衰减，如下式所示:

（2.13）

Id=le—：

d

式中I表示入射初始声强，ld为深如媒质d距离处的声强，■'为衰减系数，与波的频率以及媒质性质有关频率越高，衰减得越厉害，传播的距离也越短。

而水中超声波的衰减系数比在空气中小得多，与电磁波刚好相反，更兼超声波波长短，根据中学知识波长越短，直进性强，遇障碍物时易形成反射，可用于在水中探测或搜索鱼群，探测海深以至搜索水雷和潜艇等军事目标。

而且超声波在软组织和肌肉中衰减系数也较小，故可用于探测体内病变。

2.2.4波的反射、折射以及驻波

列波从媒质1垂直入射媒质2在边界上形成反射和折射。

当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质，称为反射波；另一部分能量透射过界面，在另一个介质

内部继续传播，称为折射波，为描述反射和折射现象，我们引如r和p分别

表示反射和折射系数，r和p均与媒质1和2的波阻或声阻zi和Z2有关，反广'2

射系数为r=乙一Z2，另外，p=1-r。

由此可见，两媒质波阻相差不多，则

07丿

主要是透射；两媒质波阻相差悬殊，主要是反射。

如图2.2所示。

图中L为入射波，Si为反射横波，Li为反射纵波，1_2为

图2.2

这些物理现象均遵守反射定律、折射定律。

除了有纵波的反射波折射波以外，还有横波的反射和折射，并且在一定条件下还能产生表面波。

2.2.5波的叠加和干涉

两列波互相独立的传播，在两列波的相遇处体元的位移等于各列波单独传播时在该处引起的位移的矢量和，叫作波的叠加原理[4]。

若两列波满足一定条件，贝U两波相遇时各空间点的合振动能各自保持恒定振幅而不同位置各点以大小不同的合振幅振动，叫作波的干涉。

当两列波振动方向相同、频率相同且在各空间点保持固定的相位差，才能实现干涉现象所要求的空间各点震动的强弱具有确定的分布。

形成波的干涉现象的两列

波叫作相干波，形成波的干涉的条件叫作相干条件。

振幅相同、而传播方向相反的两列简谐相干波叠加得到的振动称为驻波。

其方程为：

超声波清洗中，常使用超声波在清洗槽内形成驻波，以引起各种本征振

荡，达到清洗目的

226多普勒效应

之前说的都是声源、观察者以及媒质是相对静止的情况，但许多情况下,他们之间都会发生相对运动，这样接收到的频率会与声源的发射频率有所不同，这一现象常称为多普勒效应，多用于超声波测流量的技术中。

声音传播过程中，波速v与波源振动的频率■以及波长■之间的关系为

=-（2.15）

而观察者观测到的波速系为：

V•与观测到的波长「以及观测频率：

•之间的关

r

tVV=—

如果声源和媒质静止，

（2.16）

观察者以速率Vo运动，则观察者接收到的频率■

为:

=（仁纠（2.17）

v

如果观察者和媒质静止，声源以速率Vs运动，则观察者接收到的频率为:

（2.18）

V_Vs

如果只有媒质静止，则是以上两种情况的综合：

*V士V0

-（2.19）

V_Vs

最后，如果媒质也以速度Vx运动，以地面为参考系，则声波相对于地面的速度就成为VVx，由此得到：

VVxV0

VVx_Vs

这里的公式中，都认为速度是在从声源到观察者的连线方向上的，遇到速度方向不在一条直线上时，只需要将速度对声源和观察者之间的连线进行投影，再进行计算即可。

2.3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。

3.超声波的应用

超声波在工农业生产中有极其广泛的应用。

包括超声波检测、超声波探伤、功率超声、超声波处理、超声波诊断、超声波治疗等。

超声波在工业中可用来对材料进行检测和探伤，可以测量气体、液体和固体的物理参数，可以测量厚度、液面高度、流量、粘度和硬度等，还可以对材料的焊缝、粘接等进行检查。

超声波清洗和加工处理可以应用于切割、焊接、喷雾、乳化、电镀等工艺过程中。

超声波清洗是一种高效率的方法，已经用于尖端和精密工业。

大功率超声可用于机械加工，使超声波在拉管、拉丝、挤压和铆接等工艺中得到应用。

应用在医学中的超声波诊断发展甚快，已经成为医学上三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，有利于种子发芽和作物增产。

此外超声波的液体处理和净化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。

微波超声的重点放在微波电子器件，已经制成了超声波延迟线、声电放大器、声电滤波器、脉冲压缩滤波器等。

下面，就对超声波的几个典型应用加以描述。

3.1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[6]。

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。

3.2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。

3.2.1超声波测距的原理

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。

由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。

测距的公式表示为：

L=CXT

式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差（T为发射到接收时间数值的一半）。

超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。

由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需

要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。

在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。

通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪便能达到毫米级的测量精度[7]。

（美国国家半导体公司的LM92温度传感器的温度测试分辨率为0.0625C,-10C至+85C准确度为土1.0C,I2C总线接口。

用89C51的通用I/O端口能很容易的模拟I2C总线的读写时序，LM92的高精度温度测量能很好的补偿超声波在不同温度的传播速度。

）

3.2.2超声波测距误差分析

根据超声波测距公式L=CXT,可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。

1.时间误差

当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s（20C室温），忽略声速的传播误差。

测距误差sAt＜（0.001/344）〜0.000002907s即2.907ms[7]。

在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm勺误差。

使用的12MHz晶体作

时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1卩s的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm勺测量范围内。

2.超声波传播速度误差

超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。

已知超声波速度与温度的关系如下：

近似公式为：

C=C0+0.607XTC

式中：

C0为零度时的声波速度332m/s；T为实际温度「C）。

对于超声波测距精度要求达到1mm寸，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。

例如当温度0C时超声波速度是332m/s,30C时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。

若超声波在30C的环境下以0C的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m测量1m误差将达到5mr[r]。

323超声波测液位

超声波液位测量主要是以超声波测距为原理，加上合理的设计，得到液位测距仪，最简单的是测量水位。

如图3.2所示，在离水塔底部高H处，安装设计好的超声波液位计。

液位计向水面垂直发出超声波，当超声波遇到水面经液面向上反射到液位计，液位计接收到反射回的超声波时，由单片机CFU算出超声波往返一次所用的时间，即可算出液位计到水面的距离L,液位高度可由公式：

h=H-Vt/2算出其中，V为超声波在空气中的传播速度，t为超声波由液位计到水面往返一次的时间。

图3.2

利用超声波发生器，实现一定频率的振荡是很容易的，并且方法有多种,取液位计与水面的距离为适当的高度，可令超声波发出去后能有效的返回，让接收器收到信号，送到微处理器，经微处理器处理所得的数据，即可算出水位高度。

超声波在空气中一般可以实现有效传播，只要外部的环境不是特别的恶劣，所受到的干扰并不是很大，测量结果不会有太大的误差。

3.3超声波测量流量

超声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。

它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量。

使用超声波流量比不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。

众所周知，目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提高、能损加大、安装不便这些缺点，但超声波流量计均可避免。

因为各类超声波流量计均可管外安装、非接触测流，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关，而其它类型的流量计随着口径增加，造价大幅度增加，故口径越大超声波流量计比相同功能其它类型流量计的功能价格比越优越【9】。

被认为是较好的大管径流量测量仪表，多普勒法超声波流量计可测双相介质的流量，故可用于下水道及排污水等脏污流的测量。

在发电厂中，用便携式超声波流量计测量水轮机进水量、汽轮机循环水量等大管径流量，比过去的皮脱管流速计方便得多。

超声被流量汁也可用于气体测量。

管径的适用范围从2cm到5m,从几米宽的明渠、暗渠到500m宽的河流都可适用⑴。

另外，超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响,又可制成非接触及便携式测量仪表,故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。

另外,鉴于非接触测量特点,再配以合理的电子线路,一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。

超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的。

超声波流量计具有上述一些优点因此它越来越受到重视并且向产品系列化、通用化发展,现已制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不同介质,不同场合和不同管道条件的流量测量。

超声波流量计目前所存在的缺点主要是可测流体的温