超声波的基本原理及传播特点-(1)

1目录摘要.........................................................2引言..........................................................31.超声波的基本原理及传播特点...................................41.1什么是超声波..............................................................................................41.2超声波的基本原理......................................................................................................41.2.1压电效应及脉冲超声波的产生..........................................................................41.2．2超声波波形.............................................................................................................51.3超声波传播的特点......................................................................................62.超声波的应用.................................................62.1超声波在制浆造纸中的应用......................................................................72.2超声波传感器..............................................................................................82.3超声波测距..................................................................................................92.4超声波在医学诊断中的应用....................................................................102.5超声波在生物技术领域的应用................................................................112.5.1用于培养液及药物的雾化....................................................................112.5.2提高种子发芽率和遗传物质的转化率..........................................................112.6超声波在军事中的应用............................................................................113.结束语.....................................................12参考文献......................................................12致谢.........................................................132摘要超声波是一种高能机械波，本文通过介绍超声波的产生机制和基本原理。让读者更深层次的认识超声波，文中根据超声波的自身特点从超声波传感器、超声波测距、及超声波在纸浆造纸中、医学诊断中、生物技术领域中、军事中的应用这六个方面进行详细讲述。超声波是一门年轻的学科，随着超声研究技术的不断成熟，未来将会更好的应用在生产生活中。关键词：超声波；传感器；测距；医学诊断AbstractUltrasonicisakindofhigh-energymechanicalwave,thispaperintroducesthebasicprincipleofultrasonicgenerationmechanismandgivereadersadeeperunderstandingofultrasound,inthispaper,accordingtothecharacteristicsofultrasonicsensors,ultrasonicdistancemeasurement,andultrasonicinpulppapermaking,medicaldiagnosis,inthefieldofbiotechnology,theapplicationofthemilitaryinthesesixaspectsindetail.Ultrasonicisayoungdiscipline,withtheultrasonictechnologymatures,thefuturewillbebetterapplicationintheproductionandliving.Keywords:ultrasonic；thesensor；ranging;medicaldiagnosis引言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4104.2HZ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年代超声技术开始应用于临床医疗方面，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3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[1]，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[2]，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20000Hz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20000赫兹之间，若声音的振动频率高于20000Hz人耳就无法听到，因此习惯上把频率高于20000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，超声波也属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话，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。4(Quartzcrystalstructure)(Pullforceundertheactionofpolarization)(Crystalmacroscopicpolarization)石英晶体的压电效应Fig:Thepiezoelectriceffectofquartzcrystal当晶体沿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方向变形拉长，这将使得正负电的中心不重合，虽然此时的六角形仍然呈现电中性，但是其正负电中心不重合导致产生电偶极矩p，整个晶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。若压电陶瓷在被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,逆压电效应的存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，导致其振幅的慢慢变小，最后它是以超声波波包的形式对外进行发射的，一般把它叫作脉冲波1.2.2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都符合波的传播特点，两者都是因频率而划定界限，因此携带