超声波的基本原理

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四2,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,最后它是以超声波波包 的形式对外进行发射的,般把它叫作脉冲波 .

22超声波的波形 超声波在木质上与普通的声波是致的,其许多的传播规律和传播特性都 波的传播特点,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 的传插方向平行时扌,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。