超聲波技術(shù)及應(yīng)用

1、超聲波原理及應(yīng)用廣州市番禺奧迪威電子有限公司目錄n超聲波簡(jiǎn)介n壓電陶瓷簡(jiǎn)介自然界中的超聲波超聲波的類型n縱波n橫波n表面波n板波表面波n表面波主要是指沿介質(zhì)表面?zhèn)鬟f，而介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)沿橢圓形軌跡振動(dòng)的波。n表面波是一種瑞利波。 板波 在板厚與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)谋“逯袀鞑サ牟ā８鶕?jù)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向不同可將板波分為SH波和蘭姆波。 SH波波：水平偏振的橫波在薄板中傳播的波。薄板中各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向平行于板面而垂直于波的傳播方向，相當(dāng)于固體介質(zhì)表面中的橫波。 蘭姆波：蘭姆波：蘭姆波又分為對(duì)稱型和非對(duì)稱型。 對(duì)稱型蘭姆波的特點(diǎn)是薄板中心質(zhì)點(diǎn)作縱向振動(dòng)，上下表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)相位相反并對(duì)稱于中心。 非對(duì)稱型蘭姆波

2、特點(diǎn)是薄板中心質(zhì)點(diǎn)作橫向振動(dòng)，上下表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)、相位相同。超聲波的特點(diǎn)（1）n超聲波可以在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播n超聲波可以攜帶較多的能量n超聲波的傳播具有方向性n超聲波在界面上會(huì)產(chǎn)生折射和反射，而且可能會(huì)改變振動(dòng)模式。n超聲波在液體中可以產(chǎn)生空化效應(yīng)n超聲波具有多普勒效應(yīng)超聲波的特點(diǎn)（2）n容易衰減（在液體和固體中衰減較?。﹏傳播速度受溫度影響n在兩種不同介質(zhì)的界面處反射強(qiáng)烈，在許多場(chǎng)合必須使用耦合劑或匹配材料。n超聲波可以聚焦。超聲波的產(chǎn)生機(jī)制n電磁振動(dòng)n磁致伸縮效應(yīng)n壓電效應(yīng)n靜電引力n其它形式的機(jī)械振動(dòng)超聲波效應(yīng)n機(jī)械效效應(yīng)：清洗、加工、拋光n聲學(xué)效應(yīng)：超聲波探

3、測(cè) n熱效應(yīng)：超聲波焊接n空化效應(yīng)：乳化、霧化n化學(xué)效應(yīng)：n例如純的蒸餾水經(jīng)超聲處理后產(chǎn)生過氧化氫；溶有氮?dú)獾乃?jīng)超聲處理后產(chǎn)生亞硝酸；染料的水溶液經(jīng)超聲處理后會(huì)變色或退色。n生物效應(yīng)：加快植物種子發(fā)芽超聲波的相關(guān)術(shù)語n聲場(chǎng)n發(fā)射角n聲阻抗n聲匹配n衰減系數(shù)聲場(chǎng)發(fā)射角n超聲波的傳播具有方向性，n發(fā)射角與波長(zhǎng)和換能片尺 寸相關(guān)。n頻率越高、直徑越大波束 角越小。聲阻抗n超聲場(chǎng)中任一點(diǎn)的聲壓與該處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度之比稱為聲阻抗，常用Z表示。 Z=p/u=cu/u=cn超聲波在兩種介質(zhì)組成的界面上的反射和透射情況與兩種介質(zhì)的聲阻抗密切相關(guān)。1220121202ZZZPptZZZZPprtr聲匹配n當(dāng)超聲

4、波透過兩種不同的介質(zhì)傳播時(shí)，由于兩種介質(zhì)的聲阻抗不同，會(huì)在界面處形成反射，從而影響超聲波的傳遞。n為了提高超聲波的傳遞效果，實(shí)踐上常用的方法是在兩種介質(zhì)中間增加一個(gè)匹配層。n固態(tài)的的匹配材料一般叫匹配層，液態(tài)的一般稱為耦合劑。n聲匹配公式：超聲波的強(qiáng)度（能流密度）22222221AvfAvwvII 能流密度，波的強(qiáng)度，瓦/平方米w 能量密度，單位焦耳/立方米v 速度A 振幅f 頻率衰減系數(shù)n超聲波在介質(zhì)中傳播會(huì)發(fā)生衰減。主要有擴(kuò)散衰減、散射衰減和吸收衰減。通常所說的衰減包括散射衰減和吸收衰減，不包括擴(kuò)散衰減。n以平面波為例，其聲壓衰減方程為 n聲壓以指數(shù)形式衰減，相應(yīng)的系數(shù)被稱為衰減系數(shù)。xx

5、ePP0超聲波的應(yīng)用n測(cè)量：距離、流速、流量、厚度n探測(cè)：超聲測(cè)距、安防探測(cè)、醫(yī)學(xué)成像、無損探測(cè)、水下聲納、地質(zhì)勘探、管道檢漏、觸摸屏n霧化：加濕、盆景、園藝、消毒、n空化：煉油、乳化n清洗：珠寶、首飾、精密零件n加工：磨削、鉆孔、拋光、焊接n美容：按摩、潔齒n醫(yī)療：結(jié)石破碎、醫(yī)學(xué)成像、呼吸醫(yī)療n馬達(dá)：相機(jī)鏡頭、微位移控制n生物：促進(jìn)種子發(fā)芽n化學(xué)：加快酒類醇化、加快化學(xué)反應(yīng)速度超聲波線纜測(cè)高儀 倒車?yán)走_(dá)超聲波霧化器超聲波超聲波霧化器 塑料點(diǎn)焊機(jī)塑料點(diǎn)焊機(jī)n頻率：頻率：28KHZn功率：功率：300W超聲波超聲波焊接機(jī) 多頻聲化學(xué)發(fā)生器 超聲波驅(qū)蟲器超聲波圓筒式分散儀超聲馬達(dá)涂層測(cè)厚儀涂層測(cè)厚

6、儀美國(guó)DeFelsko公司n技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù):n測(cè)量范圍: 25-1000mn分辨率: 2m n精度: (2m+3%的讀數(shù))n測(cè)量速率: 45個(gè)讀數(shù)/秒超聲探傷儀超聲探傷儀德國(guó)德國(guó) Krautkramer K.K 公司公司醫(yī)學(xué)超聲成像醫(yī)學(xué)超聲成像線陣聲納線陣聲納德國(guó)德國(guó)n基元數(shù)基元數(shù):3X96, n基陣長(zhǎng)：基陣長(zhǎng)：48米米小結(jié)n超聲波最大的特點(diǎn)就是可以以振動(dòng)的方式傳遞能量而不影響人類的聽覺。n超聲波的利用主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，一是微幅高頻振動(dòng)的利用，二是能量傳遞效果的利用，三是超聲信號(hào)的利用。n具體地說，就是超聲馬達(dá)、超聲換能和超聲傳感。目前的大部分超聲波應(yīng)用都可以歸結(jié)到這三個(gè)類別里面。壓電陶瓷

7、n壓電材料n壓電發(fā)展歷史n壓電材料簡(jiǎn)介n常見的壓電材料n壓電材料的性能參數(shù)n壓電材料應(yīng)用自然界中的壓電材料石英高分子壓電材料（壓電薄膜）壓電陶瓷歷史n1880年 法國(guó)的P.Curie和J. Curie兄弟在研究熱電性與晶體對(duì)稱 性的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)了正壓電效應(yīng)這一物理現(xiàn)象，他們所 報(bào)導(dǎo)的這些晶體中就有后來廣為研究的羅息鹽(NaKC4H4O6.4H2O酒石酸鉀鈉) 。n1881年 李普曼(G. Lippman)根據(jù)能量守恒和電荷量守恒的 原理，推測(cè)逆壓電效應(yīng)(Converse piezoelectric effect) 的存在，這一預(yù)言很快就被居里兄弟用實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。后來 發(fā)現(xiàn)了磷酸二氫鉀、硫酸鋰單水化

8、合物和BaTiO3等重要壓電晶體。 n1916年 朗之萬(Langevin)用壓電石英晶體作成水下發(fā)射和接收 換能器，這是最早的壓電換能器，并用于探測(cè)水下的物體。n1918 年 卡迪（Cady）研究了羅息鹽晶體在機(jī)械諧振頻率特有的電性能，導(dǎo)致羅息鹽電聲組件問世。n1921年 相繼研制成功石英諧振器和濾波器，開創(chuàng) 了壓電效應(yīng)在穩(wěn)頻、計(jì)時(shí)和電子技術(shù)方面 的應(yīng)用。壓電陶瓷歷史n1947年 采用BaTiO3壓電陶瓷制成了拾音器，這對(duì)壓電材料的應(yīng)用具有重大意義，極大地刺激了 壓電陶瓷材料的研究與應(yīng)用開發(fā)。n 1969年 發(fā)現(xiàn)聚偏氟乙烯薄膜制程的駐極體具有優(yōu)良的壓電性后，聚合物駐極體的研究和應(yīng)用迅速發(fā)展起

9、來。 壓電陶瓷歷史常見的壓電陶瓷材料n1、鈦酸鋇（BaTiO3）壓電陶瓷具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，機(jī)械強(qiáng)度不如石英。n2、鋯鈦酸鉛Pb（ZrTi）O3系壓電陶瓷（PZT）壓電系數(shù)較高，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)隨溫度、時(shí)間等外界條件的變化小，在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元素，可以獲得不同性能的PZT材料。n3、鈮鎂酸鉛Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3壓電陶瓷（PMN）具有較高的壓電系數(shù)，在壓力大至700kg/cm2仍能繼續(xù)工作，可作為高溫下的力傳感器。壓電原理石英的晶體結(jié)構(gòu)(b)(a)+-YXXY硅氧離子的排列示意圖(a) 硅氧離子在Z平面上的投影（b）等效為正六邊形排列的投影+石英

10、的壓電機(jī)制壓電陶瓷的極化直流電場(chǎng)E剩余極化強(qiáng)度剩余伸長(zhǎng)電場(chǎng)作用下的伸長(zhǎng)(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后 極化后的壓電陶瓷 自由電荷束縛電荷電極電極極化方向陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電陶瓷等效模擬電路 并聯(lián)模擬電路 串聯(lián)模擬電路n壓電應(yīng)變常數(shù)d33: 表示在壓電晶體上施加單位電壓時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)變大小。 n壓電電壓常數(shù)g33： 表示作用在壓電晶體上單位應(yīng)力所產(chǎn)生的電壓梯度大小。 )/(33VmUtd)/(33NmVPUgP壓電材料的主要性能參數(shù)壓電材料的主要性能參數(shù)n介電常數(shù):n 機(jī)電耦合系數(shù)K: 表示壓電材料機(jī)械能(聲

11、能)與電能之間的轉(zhuǎn)換效率。n機(jī)械品質(zhì)因子Qm : 壓電晶片在諧振時(shí)貯存的機(jī)械能E貯與在一個(gè)周期內(nèi)損耗的能量E損之比稱為機(jī)械品質(zhì)因子Qm。 AtC輸入的能量轉(zhuǎn)換的能量K損貯EEQmn頻率常數(shù)Nt: 壓電晶片的厚度與固有頻率的乘積是一個(gè)常數(shù)，這個(gè)常數(shù)叫做頻率常數(shù)。n居里溫度Tc： 使壓電材料的壓電效應(yīng)消失的溫度。 常數(shù)）(20LtctfN壓電材料的主要性能參數(shù)壓電材料的主要特性 n轉(zhuǎn)換性能：要求具有較大的壓電常數(shù)。n機(jī)械性能：機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大。n電性能：高電阻率和大介電常數(shù)。n環(huán)境適應(yīng)性：溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍。n時(shí)間穩(wěn)定性：要求壓電性能不隨時(shí)間變化。壓電材料應(yīng)用壓電陶瓷按照應(yīng)用分類共分為七大類： n壓電振蕩器及材料n壓電聲電組件：蜂鳴器、送話器、受話器、壓電喇叭 n壓電超音波換能器：超音波清洗、超音波霧化、超音波美容、超音波探測(cè)n信息處理組件：濾波器、諧振器、檢波器、監(jiān)頻器、表面聲波、延遲線 n動(dòng)力裝置：點(diǎn)火器、超音波切割、超音波粘接、壓電馬達(dá)、壓電變壓