與超聲波應用有關的論文

與超聲波應用有關的論文⒈什么是超聲波：聲波是物體機械振動狀態(tài)（或能量）的傳播形式。所謂振動是指物質的質點在其平衡位置附近進行的往返運動形式。譬如，鼓面經敲擊后，它就上下振動，這種振動狀態(tài)通過空氣媒質向四面八方傳播，這便是聲波。超聲波是指振動頻率大于20000Hz以上的，其每秒的振動次數（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的一般上限（20000Hz），人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲和可聞聲本質上是一致的，它們的共同點都是一種機械振動模式，通常以縱波的方式在彈性介質內會傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點是超聲波頻率高，波長短，在一定距離內沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。⒉超聲波的種類及特點：超聲波是波的一種，他的傳播完全符合波的傳播特點。所以超聲波在介質中傳播的波形取決于介質可以承受何種作用力以及如何對介質激發(fā)超聲波。通常有如下三種波形:縱波波形：當媒質中各體元振動的方向與波傳播的方向平行時，此超聲波為縱波波形。任何固體介質當其體積發(fā)生交替變化時均能產生縱波。橫波波形：當媒質中各體元振動的方向與波傳播的方向垂直時，此種超聲波為橫波波形。由于媒質除了能承受體積變形外，還能承受切變變形，因此，當其有剪切應力交替作用于媒質時均能產生橫波。橫波只能在固體介質中傳播。表面波波形：是沿著兩種媒質的界面?zhèn)鞑サ木哂锌v波和橫波的雙重性質的波。表面波可以看成是由平行于表面的縱波和垂直于表面的橫波合成,振動質點的軌跡為一橢圓，在距表面1/4波長深處振幅最強，隨著深度的增加很快衰減，實際上離表面一個波長以上的地方，質點振動的振幅已經很微弱了。⒊超聲波的波形轉換：由超聲波的定義可知，超聲波是一種聲波，所以它具有波的性質，即反射和折射。實驗中采用直探頭產生縱波，斜探頭產生橫波或表面波。超聲波在界面上的反射、折射和波型轉換滿足如下斯特令折射定律：反射：反射：折射：我們用一個可變角探頭來研究它們的轉換過程及臨界角把可變角探頭的入射角調整為0，使超聲波入射在試塊兩個圓弧R1和R2的下部邊緣，觀察反射回波，確定其波型（縱波）。橫向移動探頭，觀察其位置如何變化。增大可變角探頭入射角，注意回波幅度的變化。當入射角達到某一值后，縱波的幅度會減小，在其后面又會出現(xiàn)兩個回波，并且幅度不斷增大，確定其波型（橫波）。橫向移動探頭，觀察其位置如何變化?？勺兘翘筋^入射角增加到某值時，縱波消失，只剩橫波可變角探頭入射角繼續(xù)增加，橫波幅度減弱并消失，在此過程中又會出現(xiàn)兩個回波，確定其波型（表面波）。用手指輕壓試塊表面，觀察其幅值如何變化。４．超聲波的傳播特點：總的來說與可聞波相比,超聲波由于頻率高、波長短,在傳播過程中具有許多其特有的性質:1)方向性好。由于超聲波的頻率高,其波長較同樣介質中的聲波波長短得多,衍射現(xiàn)象不明顯,所以超聲波的傳播方向好。2)能量大。超聲波在介質中傳播,當振幅相同時,振動頻率越高能量越大。因此,它比普通聲波具有大得多的能量。3)穿透能力強。超聲波雖然在氣體中衰減很強,但在固體和液體中衰減較弱。在不透明的固體中,超聲波能夠穿透幾十米的厚度,所以超聲波在固體和液體中應用較廣。4)引起空化作用。在液體中傳播時,超聲波與聲波一樣是一種疏密的振動波,液體時而受拉時而逐級壓,產生近于真空或含少量氣體的空穴。在聲波壓縮階段,空穴被壓縮直至崩潰。在空穴崩潰時產生放電和發(fā)光現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱為空化作用。也正是這些特點，使得超聲波在工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)學、軍事等眾多方面都有著及其廣泛的應用。二、超聲波專題實驗要點I測聲速（縱波聲速和橫波聲速）：縱波聲速：試塊的厚度為L.S始波tS始波t1B1B2t2t0縱波聲速為：CL=QUOTE延遲為:橫波聲速：兩個圓弧的半徑長分別為R2和R1S始波tS始波t1R30t2R60試塊橫波聲速為：CS=延遲為：II測量試塊的楊氏模量和泊松系數：通過測量試塊的縱波聲速和橫波聲速可以計算試塊的楊氏模量和泊松系數。超聲波速度與傳播介質的彈性模量和密度有關，不同的介質，有不同的聲速；并且當波型不同時，介質彈性形變形式不同，聲速也不一樣。在各同向性固體介質中，各種波型的超聲聲速為：縱波聲速：橫波聲速：其中E為楊氏模量，σ為泊松系數，為材料密度。相應地，通過測量介質的縱波聲速和橫波聲速，利用以上公式可以計算介質的彈性常數。計算公式如下：楊氏模量： 泊松系數： 其中：，為介質中縱波聲速，為介質中橫波聲速，為介質的密度。III超聲波探測：1．直探頭探測缺陷深度：在超聲波探測中，可以利用直探頭來探測較厚工件內部缺陷的位置和當量大小。把探頭按圖1-8位置放置，觀察其波形。其中底波是工件底面的反射回波。圖1-8直探頭探測缺陷深度本實驗采用絕對探測法，絕對探測法是通過直接測量反射回波時間，根據聲速計算出缺陷的深度。方法是：（1）在試塊上仔細移動探頭的位置找到鉆孔（缺陷）的最大回波，這時示波器上缺陷波清楚明顯，探頭處于鉆孔的中心線上（2）調節(jié)示波器的分辨率，測量缺陷回波的時間（3）利用己測得的聲速計算鉆孔的深度。利用斜探頭，探測CSK-IB試塊中缺陷D的深度和距試塊右邊沿的距離。測量延遲1次。按圖把探頭放置在試塊圓弧的圓心附近，找到R2的反射回波最大的位置，用鋼尺測量探頭前沿到試塊端點的距離L1，確定斜探頭的入射點按圖2，把探頭分別對準A，B兩孔，找到最大反射回波，求斜探頭測量聲速找到D孔最大的回波位置LD，測回波的時間，則最后IV超聲波的指向性：測量直探頭的擴散角。越小，探頭方向性越好，定位精度越高。1.利用直探頭分別找到A、B孔對應的回波，移動探頭使回波幅度最大，并用鋼尺測量該點的位置x0及對應的回波的幅度；2.向左邊移動探頭使回波幅度減小大最大幅度的一半，用鋼尺測量該點的位置x1；3.同樣的方法測量探頭右移時回波幅度下降到最大幅度的一半時對應點的位置x2。則擴散角為：超聲波技術發(fā)展及其應用超聲波在工農業(yè)生產中有極其廣泛的應用。包括超聲波檢測、超聲波探傷、功率超聲、超聲波處理、超聲波診斷、超聲波治療等。超聲波在工業(yè)中可用來對材料進行檢測和探傷，可以測量氣體、液體和固體的物理參數，可以測量厚度、液面高度、流量、粘度和硬度等，還可以對材料的焊縫、粘接等進行檢查。超聲波清洗和加工處理可以應用于切割、焊接、噴霧、乳化、電鍍等工藝過程中。超聲波清洗是一種高效率的方法，已經用于尖端和精密工業(yè)。大功率超聲可用于機械加工，使超聲波在拉管、拉絲、擠壓和鉚接等工藝中得到應用。應用在醫(yī)學中的超聲波診斷發(fā)展甚快，已經成為醫(yī)學上三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。在農業(yè)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，有利于種子發(fā)芽和作物增產。此外超聲波的液體處理和凈化可應用于環(huán)境保護中，例如超聲波水處理、燃油乳化、大氣除塵等。微波超聲的重點放在微波電子器件，已經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。1、超聲波傳感器由于許多儀器及控制應用中均涉及到超聲波傳感器，尤其是在流量測量，材料無損檢驗及物位測量等方面，超聲波傳感器的應用尤為普遍。所以，在此首先簡要的介紹一下超聲波傳感器。廣義上來講，它是在超聲頻率范圍內將交變的電信號轉換成聲信號或者將外界聲場中的聲信號轉換為電信號的能量轉換器件，又稱為超聲波換能器或者超聲波探頭。超聲波傳感器分為發(fā)射換能器和接收換能器，既能發(fā)射超聲波又能接受發(fā)射出去的超聲波的回波。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應，而接收換能器則是利用壓電效應。超聲換能器的種類很多，按照其結構可分為直探頭(縱波)、斜探頭(橫波)、表面波探頭、雙探頭(一個發(fā)射，一個接收)、聚焦探頭(將聲波聚集成一束)、水浸探頭(可浸在液體中)以及其它專用探頭。按照實現(xiàn)超聲換能器機電轉換的物理效應的不同可將換能器分為電動式、電磁式、磁致式、壓電式和電致伸縮式等。超聲波換能器的材料也有多種選擇，某些電介質(例如晶體、陶瓷、高分子聚合物等)在其適應的方向施加作用力時，內部的電極化狀態(tài)會發(fā)生變化，在電介質的某相對兩表面內會出現(xiàn)與外力成正比的符號相反的束縛電荷，這種由于外力作用使電介質帶電的現(xiàn)象叫做壓電效應。相反地，若在電介質上加一外電場，在此電場作用下，電介質內部電極化狀態(tài)會發(fā)生相應的變化，產生與外加電場強度成正比的應變現(xiàn)象，這一現(xiàn)象叫做逆壓電效應。壓電材料是壓電換能器的研制、應用和發(fā)展的關鍵。大致可分為五類：壓電單晶體、壓電多晶體、壓電半導體、壓電高分子聚合物、復合壓電材料。其中壓電陶瓷是壓電多晶體材料，這類壓電陶瓷為實心，均勻和一體的壓電功能材料，具有優(yōu)良的壓電性能。壓電陶瓷自問世以來，至今已有30多年歷史。無論在材料基礎研究方面或是在應用方面，都獲得了飛速的發(fā)展。由于壓電陶瓷的出現(xiàn)，開辟了壓電材料的廣闊前景，也使壓電換能器的理論發(fā)展和實際應用提高到一個新的高度。壓電陶瓷是當今最有可為的壓電材料，目前在壓電材料中無論數量上還是質量上均處于支配地位，其原因是它有如下優(yōu)點：(l)所用原材料價廉且易得；(2)具有非水溶性，遇潮不易損壞；(3)壓電性能優(yōu)越；(4)品種繁多，性能各異，可滿足不同的設計要求；(5)機械強度好，易于加工成各種不同的形狀和尺寸；(6)采用不同的形狀和不同的電極化軸，可以得到所需的各種振動模式；(7)制作工藝較簡單，生產周期較短，價格適中。根據不同的實際應用情況，超聲波傳感器產生不同頻率。如應用在流量測量領域，聲波的頻率在30kHz到5MHz之間；應用在物位測量領域時，聲波的頻率會低一些，一般在30kHz到200kHz之間；而當應用在檢測裝置（如測厚儀和探傷檢驗裝置）上時，聲波的頻率范圍很廣，但是總體上來說要比用于其它領域時高很多。2、超聲波測距超聲波因其指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播距離遠等特點，而經常用于進行各種測量。如利用超聲波在水中的發(fā)射，可以測量水深、液位等．利用超聲波測距，使用單片機系統(tǒng)，設計合理，計算處理也較方便，測量精度能達到各種場合使用的要求。３、超聲波在醫(yī)療方面的應用醫(yī)學上最早利用超聲波是在1942年，奧地利醫(yī)生杜西克首次用超聲技術掃描腦部結構；以后到了60年代醫(yī)生們開始將超聲波應用于腹部器官的探測。如今超聲波掃描技術已成為現(xiàn)代醫(yī)學診斷不可缺少的工具。醫(yī)學超聲波檢查的工作原理與聲納有一定的相似性，即將超聲波發(fā)射到人體內，當它在體內遇到界面時會發(fā)生反射及折射，并且在人體組織中可能被吸收而衰減。因為人體各種組織的形態(tài)與結構是不相同的，因此其反射與折射以及吸收超聲波的程度也就不同，醫(yī)生們正是通過儀器所反映出的波型、曲線，或影象的特征來辨別它們。此外再結合解剖學知識、正常與病理的改變，便可診斷所檢查的器官是否有病。目前，醫(yī)生們應用的超聲診斷方法有不同的形式，可分為A型、B型、M型及D型四大類。A型：是以波形來顯示組織特征的方法，主要用于測量器官的徑線，以判定其大小?？捎脕龛b別病變組織的一些物理特性，如實質性、液體或是氣體是否存在等。B型：用平面圖形的形式來顯示被探查組織的具體情況。檢查時，首先將人體界面的反射信號轉變?yōu)閺娙醪煌墓恻c，這些光點可通過熒光屏顯現(xiàn)出來，這種方法直觀性好，重復性強，可供前后對比，所以廣泛用于婦產科、泌尿、消化及心血管等系統(tǒng)疾病的診斷。M型：是用于觀察活動界面時間變化的一種方法。最適用于檢查心臟的活動情況，其曲線的動態(tài)改變稱為超聲心動圖，可以用來觀察心臟各層結構的位置、活動狀態(tài)、結構的狀況等，多用于輔助心臟及大血管疫病的診斷。D