1-3-超聲的產(chǎn)生與接收

1、1-3 超聲的產(chǎn)生與接收一、概述二、可逆超聲換能器三、非可逆的一些產(chǎn)生方法四、非可逆的一些接收方法1產(chǎn)生超聲的常用方法一、概述(1) 直觀的機(jī)械方法手搖齒輪法(2) 不太直觀的機(jī)械方法各種流體哨 (3) 電聲型換能器主要有壓電型換能器和磁致伸縮型換能器兩種 (4) 激光激發(fā)超聲2接收超聲的常用方法(1) 早期人們?cè)没鹧鎸?duì)聲波的敏感性原理檢測(cè)超聲。非常不可靠。(2) 機(jī)械方法。在傳播管內(nèi)或棒面上觀察粉末駐波圖。不可靠。(3) 現(xiàn)在多利用壓電換能器(利用壓電材料的壓電效應(yīng)設(shè)計(jì)制作的換能器)。(4) 其它方法。熱學(xué)法、光學(xué)法等。1-3 超聲的產(chǎn)生與接收3術(shù)語換能超聲換能器發(fā)射型超聲換能器接收型超

2、聲換能器將一種形式的能量(聲、光、熱、電等之一)轉(zhuǎn)換成立一種形式的能量。發(fā)射或接收超聲的器件。用于產(chǎn)生超聲的換能器。用于接收超聲的換能器。可逆型超聲換能器嚴(yán)格地講，“可逆性”要求在任一方向的轉(zhuǎn)換效率是相等的。但由于各種條件的限制，實(shí)際應(yīng)用中可逆型超聲換能器僅僅是近似滿足這一要求。即可用于發(fā)射超聲，又可不加改變地用于接收超聲的換能器。壓電型超聲換能器是目前最常用的可逆型超聲換能器，它在超聲的發(fā)射和接收中占有極其獨(dú)特的位置。1-3 超聲的產(chǎn)生與接收二、可逆超聲換能器1壓電換能器壓電效應(yīng)當(dāng)沿某些材料(如結(jié)構(gòu)上無對(duì)稱中心的單晶、極化陶瓷、極化高分子薄膜等)一定的方向受壓力作用，或作長度變化時(shí)，會(huì)在其表

3、面產(chǎn)生數(shù)量上成比例的束縛電荷。壓電效應(yīng)是接收型換能器的基礎(chǔ)。逆壓電效應(yīng)當(dāng)加在上述材料兩端的電壓(即電荷)發(fā)生變化時(shí)，其長度會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。逆壓電效應(yīng)是發(fā)射型換能器的基礎(chǔ)。嚴(yán)格講，這是縱向磁致伸縮效應(yīng)，還有一種體積磁致伸縮效應(yīng)。縱向磁致伸縮效應(yīng)是發(fā)射型換能器的基礎(chǔ)。2磁致伸縮換能器正磁致伸縮效應(yīng)將鐵磁材料做成的棒或管放在沿棒形或管形的磁場(chǎng)中，隨著磁場(chǎng)大小的改變，棒或管的長度會(huì)發(fā)生變化，這種變化與磁場(chǎng)方向無關(guān)。1-3 超聲的產(chǎn)生與接收逆磁致伸縮效應(yīng)當(dāng)鐵磁體在外力作用下發(fā)生形變時(shí)，其自發(fā)磁化強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化。這是接收型換能器的基礎(chǔ)。但實(shí)際上很少采用磁致伸縮換能器接收超聲。磁致伸縮換能器與壓電換能器的比

4、較表面上看，磁致伸縮換能器與壓電換能器很相似，差別僅僅在于前者是根據(jù)形變與交變磁場(chǎng)之間的關(guān)系設(shè)計(jì)而成的，后者是根據(jù)形變與交變電場(chǎng)之間的關(guān)系設(shè)計(jì)而成的。其實(shí)不然，它們有著本質(zhì)差別：壓電體的伸縮與電場(chǎng)方向相關(guān)，而磁致伸縮體的伸縮與磁場(chǎng)方向無關(guān)。把一根鐵磁棒置于過零的交變磁場(chǎng)中，當(dāng)磁場(chǎng)作周期性變化時(shí)，鐵磁棒也會(huì)周期性伸縮，但伸縮頻率為磁場(chǎng)變化頻率的2倍，而且，單位長度的變化與磁場(chǎng)大小之間的關(guān)系是非線性的。1-3 超聲的產(chǎn)生與接收實(shí)用中，在給定磁場(chǎng)變化下，為了獲得最大的同頻、線性磁致伸縮形變，在設(shè)計(jì)磁致伸縮換能器時(shí)，除施加交變磁場(chǎng)外，通常還需附加一個(gè)直流的偏壓磁場(chǎng)，該偏壓磁場(chǎng)的大小應(yīng)滿足：(1) 大于

5、交變磁場(chǎng)的峰值；(2) 不能過大，須使應(yīng)變磁場(chǎng)曲線上的工作點(diǎn)位于曲線的陡峭區(qū)域(也就是使磁致伸縮形變與磁場(chǎng)變化近似為線性關(guān)系)。3靜電換能器(EAST) 它是一種電容式超聲換能器，能產(chǎn)生或接收幾兆幾百兆Hz的超聲。它以樣品作為超聲換能器的組成部分，但不接觸樣品，因而可以不對(duì)樣品作任何擾動(dòng)。它要求樣品為固體，外表面有一個(gè)平面，以該平面作為電容的一極，外加一個(gè)平板作為另一極，共同形成一個(gè)電容器。1-3 超聲的產(chǎn)生與接收發(fā)射型EAST在電容器兩端施加交變或瞬變電壓，可在樣品表面產(chǎn)生交變或瞬變力，從而向樣品內(nèi)部輻射超聲。工作原理如圖所示。 與磁致伸縮換能器類似，這種換能器也存在輻射聲波頻率與交變或瞬變

6、電壓頻率不一致的問題，解決方法也類似，即施加一個(gè)直流偏壓。在條件下，電容器的兩個(gè)電極單位面積上表面電荷之間有如下庫侖力(交變或瞬變)作用：1-3 超聲的產(chǎn)生與接收接收型EAST基本結(jié)構(gòu)與發(fā)射型ESAT相同，不同的是外加電極板固定不動(dòng)，作為另一極的樣品表面因受樣品內(nèi)部聲波輻射而作振動(dòng)，以此導(dǎo)致兩極間隙的變化，使電容器的電容量產(chǎn)生交變或瞬變。 這里，直流偏壓Vdc通過一個(gè)大電阻(幾十兆歐)施加到電極上。同樣，當(dāng)為了獲得強(qiáng)超聲，Vdc和V(w)相應(yīng)較高，但問題是這兩個(gè)參量過高會(huì)產(chǎn)生空氣擊穿(d一般很小，約10mm)。解決方法是在電容器的兩極間置放一片電介質(zhì)(如云母、聚酯薄膜等)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，由于電

7、介質(zhì)薄膜的質(zhì)量很小，這樣做并不影響樣品表面的自由狀態(tài)。時(shí)，有1-3 超聲的產(chǎn)生與接收為了保證電容器電容的變化正比于電極間隙的變化，即V(w) Dd(w)，可進(jìn)一步在平板電極的外沿加防護(hù)環(huán)以減弱邊緣效應(yīng)。對(duì)于非電導(dǎo)體樣品，可在其表面鍍上金屬(如銅)薄膜，也有人提出偏壓電壓相反的兩個(gè)平板電極的方法。4電磁換能器(EMAT) EMAT與ESAT相似，在導(dǎo)電固體樣品的上空放置一個(gè)平面體，但不是金屬板，而是一個(gè)平面金屬線圈，通以交變電流，因而作用在樣品表面的是電磁場(chǎng)，而非純電場(chǎng)。EMAT同樣有非接觸的特點(diǎn)，而且其平面線圈與樣品表面之間的距離比ESAT的電極間隙大得多，為mm數(shù)量級(jí)，平行度要求也不那么高。

8、更便于使用，能在工業(yè)上普及(如已用于熾熱鋼材)。EMAT也需要一個(gè)直流磁場(chǎng)，但作用獨(dú)特。1-3 超聲的產(chǎn)生與接收三、非可逆的一些產(chǎn)生方法1機(jī)械方法a. 手搖齒輪法聲發(fā)射法沖擊法使樣品斷裂而產(chǎn)生瞬態(tài)超聲波。讓快速運(yùn)動(dòng)的單個(gè)粒子或粒子群，或者氣流，沖擊固體表面的一個(gè)微小區(qū)域，由此在固體內(nèi)部產(chǎn)生球面縱波和橫波。斷裂法b. 流體動(dòng)力型超聲換能器流體哨c. 聲發(fā)射法非可逆的產(chǎn)生超聲的方法只能產(chǎn)生超聲而不能在條件基本不變的情況下用來接收超聲的方法。1-3 超聲的產(chǎn)生與接收2采用聚焦激光、電子束、粒子束或電弧等產(chǎn)生超聲對(duì)于較大的激光功率密度(如大于10MW/cm2)，這時(shí)樣品表面局部融化，以至沸騰，出現(xiàn)材料

9、燒蝕。對(duì)金屬樣品，一旦出現(xiàn)燒蝕，在金屬表面及其上空，將形成金屬等離子體，其綜合效果可以看作是：由于從表面移走了動(dòng)量，對(duì)表面便產(chǎn)生了一個(gè)法向的脈沖反沖力，因此會(huì)在固體樣品內(nèi)產(chǎn)生超聲。激光產(chǎn)生超聲的機(jī)理：A. 熱彈機(jī)制對(duì)于小的激光功率密度(對(duì)固體樣品，大致小于MW/cm2的數(shù)量級(jí))，產(chǎn)生超聲的原因是，被吸收的光能轉(zhuǎn)換為熱能，這時(shí)激光脈沖起著瞬態(tài)的小區(qū)域熱源的作用，導(dǎo)致樣品表面下的小區(qū)域發(fā)生熱膨脹，從而產(chǎn)生熱彈應(yīng)變和應(yīng)力，成為超聲縱波、橫波以至表面波的聲源。這個(gè)聲源可以近似為一組平行于樣品表面的偶極子應(yīng)力。顯然，不同材料有不同的熱膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)等，因而不同材料樣品產(chǎn)生超聲的效率是不一樣的。B.

10、 熱蝕機(jī)理1-3 超聲的產(chǎn)生與接收四、非可逆的一些接收方法非可逆的接受超聲的方法只能接收超聲而不能在條件基本不變的情況下用來產(chǎn)生超聲的方法。非可逆接收超聲的方法有多種不同的類型，有的主要測(cè)量超聲的位移，有的主要測(cè)量超聲的強(qiáng)度，有的主要測(cè)量超聲功率；有些相當(dāng)粗糙，有些則較準(zhǔn)確；有些適用于流體內(nèi)的超聲，有些適用于固體內(nèi)部或其表面上的超聲；還有些直接顯示出超聲的聲場(chǎng)圖像。1力學(xué)法a. 粉末散布法(前面曾提過)b. 輻射壓力法輻射壓力輻射壓力聲波的應(yīng)力(聲壓)是交變的，但伴隨超聲的輻射壓力卻是單向的，即是“直流力”，它起源于聲與載波介質(zhì)的非線性效應(yīng)。1-3 超聲的產(chǎn)生與接收輻射壓力的分類瑞利輻射壓力存

11、在于有聲波傳播的裝有固定質(zhì)量流體的封閉容器之內(nèi)。這時(shí)，容器內(nèi)不直接處于聲場(chǎng)中的流體，只通過流體密度和壓強(qiáng)為保持平衡所產(chǎn)生的變化，而和聲場(chǎng)相互作用。作用于開放容器內(nèi)的流體中。這時(shí)流體的表面是自由的。人們常用的、根據(jù)輻射壓力測(cè)量超聲功率的方法即屬于這種情況。Langevin輻射壓力輻射壓力只在不同阻抗介質(zhì)的交界面，或吸聲介質(zhì)的內(nèi)部才起作用。對(duì)于平面波傳播途中有障礙物的情況，分析證明，沿著輻射方向的Langevin輻射壓力為：1-3 超聲的產(chǎn)生與接收式中E0為聲波的能量密度，S為障礙物截?fù)趼暡ǖ拿娣e，D為拽力系數(shù)(取決于障礙物的聲反射程度以及障礙物表面與聲束相交的夾角)。對(duì)于平面聲波，E0=I/c，

12、I為聲強(qiáng)，c為聲速，代入上式可得 即通過測(cè)量F可確定聲強(qiáng)I。2熱學(xué)法a. 熱敏元件法使用由微小溫差電偶或熱敏電阻、外裹聲吸收薄層而構(gòu)成的探頭來吸收聲能，導(dǎo)致熱敏元件升溫。在一定條件下，熱敏元件的平衡溫升，或其初始溫度上升率正比于聲波的強(qiáng)度，由此從探頭的溫升(熱敏元件的輸出電壓)可測(cè)量聲場(chǎng)中不同點(diǎn)的聲強(qiáng)。這種方法可用于測(cè)量MHz級(jí)的連續(xù)聲波強(qiáng)度。1-3 超聲的產(chǎn)生與接收它可用于測(cè)量超聲源的總輸出功率(MHz級(jí))。量熱器可以有種種結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：b. 電阻測(cè)輻射熱計(jì)原理與上類似，但結(jié)構(gòu)有所不同。可在液氦低溫下測(cè)量吉赫級(jí)以至太赫級(jí)的連續(xù)聲波或脈沖聲波。c. 量熱器法原理讓超聲換能器單位時(shí)間

13、內(nèi)所發(fā)射聲能全部轉(zhuǎn)換為熱能，然后測(cè)量這個(gè)熱能。保證聲能全部轉(zhuǎn)換為熱能；保證換能器因內(nèi)部損耗而直接產(chǎn)生的熱能不能摻雜或混淆聲能所轉(zhuǎn)換的熱能；與外界的隔熱問題。1-3 超聲的產(chǎn)生與接收3光學(xué)法a. 表面位移測(cè)量 一種近年來得到較多發(fā)展的設(shè)備是光學(xué)干涉儀，有多種不同的結(jié)構(gòu)，如穩(wěn)定光程干涉儀、微分干涉儀等。 b. 透明流體內(nèi)部聲場(chǎng)的顯示：陰影法 如果介質(zhì)內(nèi)的聲波為駐波，則可看到聲壓的波腹和波節(jié)明暗相間。若聲波是行波，則只能看到一片均勻的明亮；若要觀察聲波的各波前，需要采用頻閃光源。至于陰影法的靈敏度，有人計(jì)算，在水里最小可顯值為710-5W。用一般的裝置可以測(cè)得數(shù)量級(jí)為0.1埃(Angstrom)的位

14、移，更準(zhǔn)確的據(jù)稱可以測(cè)到10-4埃，但后者限于觀察連續(xù)超聲波或重復(fù)的長脈沖超聲信號(hào)。和接收用壓電換能器相比，光學(xué)干涉儀的靈敏度一般要低一兩個(gè)數(shù)量級(jí)，但光學(xué)方法是非接觸式的，又沒有自身固有振動(dòng)的干擾。1-3 超聲的產(chǎn)生與接收c. 透明固體內(nèi)部聲場(chǎng)的顯示：光彈發(fā)，也可用陰影法，但光彈 法更適宜。用光彈原理觀察透明固體受靜力時(shí)內(nèi)應(yīng)力的分布，是力學(xué)中的熟知技術(shù)。超聲波也在固體內(nèi)部的局部產(chǎn)生應(yīng)力，因此也可以用這個(gè)方法顯示，所不同的是超聲波所產(chǎn)生的應(yīng)力一般是運(yùn)動(dòng)的，特別是當(dāng)要觀察的是超聲行波的傳播行為(包括反射、折射、散射、模式變換等)，這時(shí)需要頻閃光源，而光彈法也從力學(xué)中的靜態(tài)方式變?yōu)閯?dòng)態(tài)的。d. 聲強(qiáng)的計(jì)量：布喇格衍射法和新發(fā)展的光纖水聽器。1-3 超聲的產(chǎn)生與接收內(nèi)容總結(jié)1-3 超聲的產(chǎn)生與接收。將一種形式的能量(聲、光、熱、電等之一)轉(zhuǎn)換成立一種形式的能量。將鐵磁材料做成的棒或管放在沿棒形或管形的磁場(chǎng)中，隨著磁場(chǎng)大小的改變，棒或管的長度會(huì)發(fā)生變化，這種變化與磁場(chǎng)方向無關(guān)。實(shí)用中，在給定磁場(chǎng)變化下，為了獲得最大的同頻、線性磁致伸縮形變，在設(shè)計(jì)磁致伸縮換能器時(shí)，除施加交變磁場(chǎng)外，通常還需附加一個(gè)直流的偏壓磁場(chǎng)