《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(wú)法聽(tīng)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(cè)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(lèi)無(wú)法聽(tīng)到超聲波，但很多動(dòng)物，例如蝙蝠和海豚，可以聽(tīng)到超聲波。特性超聲波具有很強(qiáng)的方向性，可以用來(lái)探測(cè)物體，例如在醫(yī)療診斷中使用超聲波來(lái)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(lèi)聽(tīng)覺(jué)的范圍，通常超過(guò)20kHz。方向性強(qiáng)超聲波在傳播過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)范圍超聲波的波長(zhǎng)范圍與頻率成反比，頻率越高，波長(zhǎng)越短。超聲波的波長(zhǎng)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(jí)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(dòng)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(xiàn)傳播在均勻介質(zhì)中，超聲波沿直線(xiàn)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(huì)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(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，繞過(guò)障礙物或孔隙繼續(xù)傳播。4衰減超聲波在傳播過(guò)程中，能量會(huì)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(huì)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(huì)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(lái)解釋。超聲波的衍射現(xiàn)象超聲波在傳播過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象。衍射是指波在傳播過(guò)程中遇到障礙物或孔隙時(shí)，會(huì)偏離直線(xiàn)傳播路徑的現(xiàn)象。超聲波的衍射現(xiàn)象與波長(zhǎng)和障礙物或孔隙的尺寸有關(guān)。當(dāng)波長(zhǎng)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(xiàn)傳播；當(dāng)波長(zhǎng)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(huì)繞過(guò)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(huì)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(cè)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(guò)程中會(huì)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(huì)導(dǎo)致聲強(qiáng)減弱，信噪比降低，影響檢測(cè)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(huì)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(huì)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(huì)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(duì)超聲波檢測(cè)和成像等應(yīng)用產(chǎn)生重要影響。超聲波的非線(xiàn)性特性聲速變化超聲波在高強(qiáng)度條件下，聲速會(huì)發(fā)生變化，這是非線(xiàn)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(huì)發(fā)生彎曲，這是由于聲速非線(xiàn)性變化造成的。諧波產(chǎn)生高強(qiáng)度超聲波傳播過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生新的頻率成分，稱(chēng)為諧波，這是非線(xiàn)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(guò)介質(zhì)傳播。超聲波的聲輻射特性是指超聲波在傳播過(guò)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(guò)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(guò)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(dòng)能量2機(jī)械振動(dòng)壓電材料發(fā)生形變，產(chǎn)生超聲波3超聲波產(chǎn)生振動(dòng)頻率超過(guò)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(chǎng)作用于壓電材料時(shí)，材料會(huì)發(fā)生形變，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。反之，當(dāng)壓電材料受到機(jī)械振動(dòng)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。換能器通過(guò)控制電場(chǎng)和機(jī)械振動(dòng)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(huì)產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象，從而在材料兩端產(chǎn)生電勢(shì)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(jiàn)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(dòng)或反之，廣泛應(yīng)用于超聲波檢測(cè)、醫(yī)療診斷、無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域。電磁式換能器利用電磁感應(yīng)原理工作，通過(guò)電磁線(xiàn)圈的電流變化產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而推動(dòng)振動(dòng)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(chǎng)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(lái)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(zhǎng)，影響穿透深度和分辨率。頻率越高，波長(zhǎng)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(chǎng)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(hào)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(cè)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(duì)液體樣品的檢測(cè)，接觸法則適用于對(duì)固體樣品的檢測(cè)。超聲波檢測(cè)的基本原理聲波傳播特性超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)遇到反射、折射、衍射和吸收等現(xiàn)象?；夭ㄐ盘?hào)分析利用超聲波探頭發(fā)射聲波，接收來(lái)自缺陷或材料界面的回波信號(hào)。缺陷特征分析通過(guò)分析回波信號(hào)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(hào)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(cè)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(cè)方法，它利用超聲波脈沖在被測(cè)物體內(nèi)部的傳播和反射，通過(guò)接收反射波的信號(hào)來(lái)檢測(cè)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(cè)薄壁材料，利用超聲波通過(guò)被測(cè)物體時(shí)，其強(qiáng)度和速度的變化來(lái)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(cè)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(guò)測(cè)量共振頻率來(lái)確定材料的特性。聲速法聲速法是通過(guò)測(cè)量超聲波在材料中的傳播速度來(lái)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(cè)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(hào)來(lái)檢測(cè)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(huì)發(fā)生反射，并產(chǎn)生回波信號(hào)。應(yīng)用領(lǐng)域回波法廣泛應(yīng)用于材料無(wú)損檢測(cè)、醫(yī)療診斷、聲納等領(lǐng)域。例如，在材料無(wú)損檢測(cè)中，回波法可以用來(lái)檢測(cè)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(cè)中的應(yīng)用材料厚度測(cè)量透射法用于測(cè)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(cè)通過(guò)測(cè)量超聲波在液體中的傳播時(shí)間和衰減，可以檢測(cè)液體的密度、粘度、溫度等性質(zhì)。管道缺陷檢測(cè)用于檢測(cè)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(cè)可用于檢測(cè)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(cè)中的應(yīng)用1提高檢測(cè)效率多個(gè)換能器同時(shí)工作，縮短檢測(cè)時(shí)間，提高檢測(cè)效率。2增強(qiáng)檢測(cè)精度陣列換能器可以實(shí)現(xiàn)多角度掃描，提高檢測(cè)精度，識(shí)別微小缺陷。3擴(kuò)展檢測(cè)范圍陣列換能器可覆蓋更大檢測(cè)區(qū)域，適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)的檢測(cè)。4提高檢測(cè)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(cè)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(guò)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(hào)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(hào)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(guò)顯示回波信號(hào)的振幅來(lái)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(guò)顯示回波信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)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(lái)測(cè)量血液流動(dòng)速度，是評(píng)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(huì)發(fā)生反射，形成回聲信號(hào)。22.圖像重建回聲信號(hào)被接收并處理，重建成二維圖像。33.組織特性不同組織對(duì)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(cè)、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(lái)測(cè)量血液流動(dòng)速度和方向。當(dāng)超聲波束遇到移動(dòng)的物體時(shí)，反射波的頻率會(huì)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(píng)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(lái)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(cè)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(píng)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(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。超聲波切割超聲