《超聲波概念及特性》課件

超聲波概念及特性超聲波是一種頻率高于20kHz的聲波，人耳無法聽到。超聲波在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，例如醫(yī)療診斷、工業(yè)檢測和聲納系統(tǒng)。什么是超聲波？定義超聲波是指頻率高于20kHz的聲波。人類無法聽到超聲波，但很多動物，例如蝙蝠和海豚，可以聽到超聲波。特性超聲波具有很強(qiáng)的方向性，可以用來探測物體，例如在醫(yī)療診斷中使用超聲波來掃描人體內(nèi)部器官。超聲波的特點(diǎn)高頻超聲波的頻率遠(yuǎn)高于人類聽覺的范圍，通常超過20kHz。方向性強(qiáng)超聲波在傳播過程中，波束集中，方向性強(qiáng)，能量集中于波束方向。穿透力強(qiáng)超聲波的波長較短，穿透力比聲波強(qiáng)，能穿透許多不透明的物質(zhì)。能量高超聲波的振幅大，能量高，能產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力和空化效應(yīng)。超聲波的波長范圍超聲波的波長范圍與頻率成反比，頻率越高，波長越短。超聲波的波長范圍通常在毫米到微米之間。超聲波的頻率范圍20kHz下限超聲波頻率范圍的下限通常定義為20kHz100GHz上限理論上，超聲波頻率的上限可以達(dá)到100GHz，實(shí)際應(yīng)用中可達(dá)GHz級超聲波波速的影響因素介質(zhì)的性質(zhì)超聲波波速取決于介質(zhì)的密度、彈性模量和剪切模量。不同的介質(zhì)有不同的波速。溫度溫度越高，分子運(yùn)動越劇烈，介質(zhì)的彈性模量降低，導(dǎo)致波速減慢。壓力壓力增加，介質(zhì)的密度和彈性模量增加，導(dǎo)致波速加快。頻率超聲波頻率越高，波速越快，但這種影響通常比較微弱。超聲波的傳播特性1直線傳播在均勻介質(zhì)中，超聲波沿直線傳播。2反射和折射當(dāng)超聲波遇到兩種不同介質(zhì)的界面時(shí)，會發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。3衍射現(xiàn)象當(dāng)超聲波遇到障礙物或孔隙時(shí)，會發(fā)生衍射現(xiàn)象，繞過障礙物或孔隙繼續(xù)傳播。4衰減超聲波在傳播過程中，能量會逐漸衰減，導(dǎo)致聲強(qiáng)減弱。超聲波的反射和折射反射超聲波遇到不同介質(zhì)界面時(shí)，部分能量會反射回原介質(zhì)，形成反射波。折射超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向會發(fā)生改變，即發(fā)生折射現(xiàn)象。反射和折射規(guī)律反射和折射的規(guī)律可以用斯涅耳定律和惠更斯原理來解釋。超聲波的衍射現(xiàn)象超聲波在傳播過程中遇到障礙物時(shí)，會發(fā)生衍射現(xiàn)象。衍射是指波在傳播過程中遇到障礙物或孔隙時(shí)，會偏離直線傳播路徑的現(xiàn)象。超聲波的衍射現(xiàn)象與波長和障礙物或孔隙的尺寸有關(guān)。當(dāng)波長小于障礙物或孔隙的尺寸時(shí)，衍射現(xiàn)象不明顯，波基本上沿直線傳播；當(dāng)波長大于或等于障礙物或孔隙的尺寸時(shí)，衍射現(xiàn)象明顯，波會繞過障礙物或孔隙繼續(xù)傳播，形成衍射波。超聲波的干涉特性波的疊加兩列或多列超聲波相遇時(shí)，會發(fā)生疊加現(xiàn)象，形成干涉。相位一致當(dāng)波峰與波峰相遇，波谷與波谷相遇時(shí)，振幅加強(qiáng)，形成加強(qiáng)干涉。相位相反當(dāng)波峰與波谷相遇時(shí)，振幅減弱，形成減弱干涉。干涉現(xiàn)象超聲波干涉現(xiàn)象在超聲波探測和成像中得到廣泛應(yīng)用。超聲波的衰減特性能量損失超聲波在傳播過程中會因介質(zhì)吸收、散射等因素而損失能量。衰減程度衰減程度與傳播距離、頻率、介質(zhì)特性等因素有關(guān)，頻率越高，衰減越快。能量衰減能量衰減會導(dǎo)致聲強(qiáng)減弱，信噪比降低，影響檢測結(jié)果。影響衰減的主要因素1介質(zhì)特性介質(zhì)的密度和粘度會影響超聲波的傳播速度和衰減程度。2頻率頻率越高，衰減越快，因?yàn)槌暡芰扛菀妆唤橘|(zhì)吸收。3溫度溫度升高會導(dǎo)致介質(zhì)的吸收系數(shù)增加，從而增加超聲波的衰減。4距離超聲波傳播的距離越遠(yuǎn)，衰減越大，因?yàn)槟芰侩S著距離的增加而分散。超聲波的吸收特性介質(zhì)吸收當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其能量會逐漸被介質(zhì)吸收，導(dǎo)致聲強(qiáng)衰減。吸收程度與介質(zhì)的性質(zhì)、超聲波頻率和傳播距離有關(guān)。能量轉(zhuǎn)化吸收的能量轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，例如熱能或機(jī)械能。吸收特性對超聲波檢測和成像等應(yīng)用產(chǎn)生重要影響。超聲波的非線性特性聲速變化超聲波在高強(qiáng)度條件下，聲速會發(fā)生變化，這是非線性特性的表現(xiàn)。聲波傳播路徑彎曲高強(qiáng)度超聲波傳播時(shí)，路徑會發(fā)生彎曲，這是由于聲速非線性變化造成的。諧波產(chǎn)生高強(qiáng)度超聲波傳播過程中，會產(chǎn)生新的頻率成分，稱為諧波，這是非線性效應(yīng)的表現(xiàn)。超聲波的聲輻射特性聲輻射特性超聲波是一種機(jī)械波，它可以通過介質(zhì)傳播。超聲波的聲輻射特性是指超聲波在傳播過程中，其聲能如何分布和輻射的情況。聲壓幅度聲壓幅度是指超聲波傳播過程中，介質(zhì)中壓強(qiáng)變化的幅度。聲壓幅度的大小與超聲波的能量、頻率和傳播距離有關(guān)。聲強(qiáng)分布聲強(qiáng)分布是指超聲波傳播過程中，聲能分布的情況。聲強(qiáng)分布與超聲波的波形、介質(zhì)的特性和傳播距離有關(guān)。超聲波換能器的工作原理1電能轉(zhuǎn)化將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動能量2機(jī)械振動壓電材料發(fā)生形變，產(chǎn)生超聲波3超聲波產(chǎn)生振動頻率超過20kHz，形成超聲波超聲波換能器是一種將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，或?qū)⒊暡芰哭D(zhuǎn)換為電能的裝置。換能器利用壓電效應(yīng)，當(dāng)電場作用于壓電材料時(shí)，材料會發(fā)生形變，產(chǎn)生機(jī)械振動。反之，當(dāng)壓電材料受到機(jī)械振動時(shí)，也會產(chǎn)生電場。換能器通過控制電場和機(jī)械振動之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)電能和超聲波能量之間的轉(zhuǎn)換。壓電效應(yīng)和壓電材料壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)是指某些材料在外力作用下發(fā)生形變時(shí)，其內(nèi)部會產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象，從而在材料兩端產(chǎn)生電勢差。壓電材料壓電材料是指具有壓電效應(yīng)的材料，例如石英、壓電陶瓷等。壓電效應(yīng)的應(yīng)用壓電效應(yīng)在超聲波換能器、傳感器、電子設(shè)備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。常見的超聲波換能器壓電式換能器利用壓電材料的壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動或反之，廣泛應(yīng)用于超聲波檢測、醫(yī)療診斷、無損檢測等領(lǐng)域。電磁式換能器利用電磁感應(yīng)原理工作，通過電磁線圈的電流變化產(chǎn)生磁場，從而推動振動板產(chǎn)生超聲波。磁致伸縮式換能器利用磁致伸縮材料在外磁場作用下發(fā)生尺寸變化的特性，實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。電容式換能器利用電容的變化來產(chǎn)生超聲波，具有高靈敏度、寬頻帶的特點(diǎn)。超聲波換能器的選擇1頻率超聲波換能器的頻率決定其波長，影響穿透深度和分辨率。頻率越高，波長越短，分辨率越高，但穿透深度越淺。2尺寸換能器的尺寸決定了聲束的大小和方向性。尺寸越大，聲束越寬，方向性越差。尺寸越小，聲束越窄，方向性越好。3材料換能器材料決定其性能和應(yīng)用范圍。壓電陶瓷是常用的材料，具有良好的壓電效應(yīng)和機(jī)械強(qiáng)度。其他材料如聚合物和復(fù)合材料也應(yīng)用于某些場合。4靈敏度換能器的靈敏度決定了它接收和發(fā)送聲波的能力。靈敏度越高，接收和發(fā)送信號的強(qiáng)度越強(qiáng)，信噪比越高。超聲波換能器的耦合耦合介質(zhì)的選擇耦合介質(zhì)的阻抗應(yīng)與換能器和被測物體阻抗相匹配，以最大限度地減少能量損失。常用的耦合介質(zhì)包括水、油、甘油、耦合劑等。耦合方法常用的耦合方法包括浸入法、接觸法、空氣耦合法等。浸入法適用于對液體樣品的檢測，接觸法則適用于對固體樣品的檢測。超聲波檢測的基本原理聲波傳播特性超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)會遇到反射、折射、衍射和吸收等現(xiàn)象?；夭ㄐ盘柗治隼贸暡ㄌ筋^發(fā)射聲波，接收來自缺陷或材料界面的回波信號。缺陷特征分析通過分析回波信號的幅度、時(shí)間、形狀等特征，可以判斷缺陷的大小、形狀和位置。圖像顯示將回波信號處理后，以圖像形式顯示，便于直觀地觀察缺陷信息。超聲波檢測的主要方式脈沖回波法脈沖回波法是最常用的超聲波檢測方法，它利用超聲波脈沖在被測物體內(nèi)部的傳播和反射，通過接收反射波的信號來檢測物體內(nèi)部的缺陷和結(jié)構(gòu)。透射法透射法主要用于檢測薄壁材料，利用超聲波通過被測物體時(shí)，其強(qiáng)度和速度的變化來判斷物體內(nèi)部是否有缺陷或結(jié)構(gòu)變化。共振法共振法主要用于測量材料的彈性模量和厚度，利用超聲波在物體內(nèi)部產(chǎn)生的共振現(xiàn)象，通過測量共振頻率來確定材料的特性。聲速法聲速法是通過測量超聲波在材料中的傳播速度來確定材料的性質(zhì)和狀態(tài)，例如材料的密度、彈性模量等?；夭ǚㄔ跈z測中的應(yīng)用基本原理回波法利用超聲波在材料內(nèi)部傳播時(shí)產(chǎn)生的反射信號來檢測材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷。當(dāng)超聲波遇到材料內(nèi)部的缺陷或不同介質(zhì)的界面時(shí)，就會發(fā)生反射，并產(chǎn)生回波信號。應(yīng)用領(lǐng)域回波法廣泛應(yīng)用于材料無損檢測、醫(yī)療診斷、聲納等領(lǐng)域。例如，在材料無損檢測中，回波法可以用來檢測鋼材、鋁合金、塑料等材料的內(nèi)部缺陷，如裂紋、氣孔、夾雜物等。透射法在檢測中的應(yīng)用材料厚度測量透射法用于測量材料的厚度，尤其適用于薄材料，例如薄膜或紙張。液體性質(zhì)檢測通過測量超聲波在液體中的傳播時(shí)間和衰減，可以檢測液體的密度、粘度、溫度等性質(zhì)。管道缺陷檢測用于檢測管道內(nèi)部的缺陷，如裂縫、腐蝕等，判斷管道是否安全可靠。機(jī)械零部件檢測可用于檢測機(jī)械零部件的內(nèi)部缺陷，例如內(nèi)部裂紋、氣孔等，確保產(chǎn)品質(zhì)量。陣列式換能器在檢測中的應(yīng)用1提高檢測效率多個(gè)換能器同時(shí)工作，縮短檢測時(shí)間，提高檢測效率。2增強(qiáng)檢測精度陣列換能器可以實(shí)現(xiàn)多角度掃描，提高檢測精度，識別微小缺陷。3擴(kuò)展檢測范圍陣列換能器可覆蓋更大檢測區(qū)域，適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)的檢測。4提高檢測靈活性陣列換能器可根據(jù)需要調(diào)整探頭排列方式，靈活適應(yīng)不同檢測需求。超聲波成像的基本原理超聲波成像利用超聲波的反射和折射特性，將人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成圖像。1超聲波發(fā)射超聲波換能器發(fā)射超聲波2超聲波傳播超聲波穿過人體組織3反射和折射超聲波遇到不同組織結(jié)構(gòu)反射或折射4信號接收換能器接收反射回波5圖像重建計(jì)算機(jī)處理信號生成圖像超聲波成像的主要方式A型掃描A型掃描是超聲波成像的一種基本方法，它通過顯示回波信號的振幅來反映組織的結(jié)構(gòu)和密度變化。B型掃描B型掃描是一種常用的超聲成像方式，它通過顯示回波信號的強(qiáng)度來構(gòu)建二維圖像，可以清晰地顯示組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)。多普勒掃描多普勒掃描利用超聲波的多普勒效應(yīng)來測量血液流動速度，是評估心臟、血管等器官功能的重要手段。B超成像技術(shù)11.聲波反射超聲波遇到組織邊界時(shí)會發(fā)生反射，形成回聲信號。22.圖像重建回聲信號被接收并處理，重建成二維圖像。33.組織特性不同組織對超聲波的反射和吸收不同，形成圖像上的灰度差異。44.醫(yī)學(xué)診斷B超成像廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷，如胎兒監(jiān)測、器官檢查等。多普勒超聲成像技術(shù)多普勒效應(yīng)多普勒超聲成像利用多普勒效應(yīng)來測量血液流動速度和方向。當(dāng)超聲波束遇到移動的物體時(shí)，反射波的頻率會發(fā)生變化，頻率的變化與物體的速度成正比。應(yīng)用領(lǐng)域多普勒超聲成像廣泛應(yīng)用于心臟病學(xué)、血管外科、婦產(chǎn)科和神經(jīng)外科等領(lǐng)域。它可以幫助醫(yī)生評估心臟瓣膜功能、血管狹窄程度、胎兒心臟發(fā)育和腦血管疾病等。聲學(xué)顯微鏡在超聲成像中的應(yīng)用聲學(xué)顯微鏡利用高頻超聲波來掃描樣品，生成樣品的圖像。它能夠提供高分辨率的圖像，并能夠穿透不透明材料。聲學(xué)顯微鏡在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如用于觀察生物組織、細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。它還可以用于檢測各種疾病，例如癌癥、心血管疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病。聲學(xué)顯微鏡也廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)和工程領(lǐng)域，例如用于觀察材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷和裂紋，以及評估材料的性能和可靠性。超聲波在工業(yè)中的應(yīng)用超聲波清洗超聲波清洗廣泛應(yīng)用于電子、精密機(jī)械、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。超聲波清洗技術(shù)能夠有效去除物體表面的污垢，提升產(chǎn)品質(zhì)量和精度。超聲波焊接超聲波焊接是一種非接觸式焊接技術(shù)，應(yīng)用于塑料、金屬等材料的焊接。超聲波焊接技術(shù)具有效率高、焊縫美觀、無污染等優(yōu)點(diǎn)。超聲波切割超聲