與超聲波應(yīng)用有關(guān)的論文

與超聲波應(yīng)用有關(guān)的論文⒈什么是超聲波：聲波是物體機(jī)械振動狀態(tài)（或能量）的傳播形式。所謂振動是指物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近進(jìn)行的往返運(yùn)動形式。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動，這種振動狀態(tài)通過空氣媒質(zhì)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(shù)（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(zhì)上是一致的，它們的共同點(diǎn)都是一種機(jī)械振動模式，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點(diǎn)是超聲波頻率高，波長短，在一定距離內(nèi)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(diǎn)：超聲波是波的一種，他的傳播完全符合波的傳播特點(diǎn)。所以超聲波在介質(zhì)中傳播的波形取決于介質(zhì)可以承受何種作用力以及如何對介質(zhì)激發(fā)超聲波。通常有如下三種波形:縱波波形：當(dāng)媒質(zhì)中各體元振動的方向與波傳播的方向平行時(shí)，此超聲波為縱波波形。任何固體介質(zhì)當(dāng)其體積發(fā)生交替變化時(shí)均能產(chǎn)生縱波。橫波波形：當(dāng)媒質(zhì)中各體元振動的方向與波傳播的方向垂直時(shí)，此種超聲波為橫波波形。由于媒質(zhì)除了能承受體積變形外，還能承受切變變形，因此，當(dāng)其有剪切應(yīng)力交替作用于媒質(zhì)時(shí)均能產(chǎn)生橫波。橫波只能在固體介質(zhì)中傳播。表面波波形：是沿著兩種媒質(zhì)的界面?zhèn)鞑サ木哂锌v波和橫波的雙重性質(zhì)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(zhì)點(diǎn)的軌跡為一橢圓，在距表面1/4波長深處振幅最強(qiáng)，隨著深度的增加很快衰減，實(shí)際上離表面一個(gè)波長以上的地方，質(zhì)點(diǎn)振動的振幅已經(jīng)很微弱了。⒊超聲波的波形轉(zhuǎn)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(zhì)，即反射和折射。實(shí)驗(yàn)中采用直探頭產(chǎn)生縱波，斜探頭產(chǎn)生橫波或表面波。超聲波在界面上的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換滿足如下斯特令折射定律：反射：反射：折射：我們用一個(gè)可變角探頭來研究它們的轉(zhuǎn)換過程及臨界角把可變角探頭的入射角調(diào)整為0，使超聲波入射在試塊兩個(gè)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(dāng)入射角達(dá)到某一值后，縱波的幅度會減小，在其后面又會出現(xiàn)兩個(gè)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(shí)，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(gè)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(diǎn)：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(zhì):1)方向性好。由于超聲波的頻率高,其波長較同樣介質(zhì)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(zhì)中傳播,當(dāng)振幅相同時(shí),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(qiáng)。超聲波雖然在氣體中衰減很強(qiáng),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(yīng)用較廣。4)引起空化作用。在液體中傳播時(shí),超聲波與聲波一樣是一種疏密的振動波,液體時(shí)而受拉時(shí)而逐級壓,產(chǎn)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(shí)產(chǎn)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(diǎn)，使得超聲波在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事等眾多方面都有著及其廣泛的應(yīng)用。二、超聲波專題實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)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(gè)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(shù)：通過測量試塊的縱波聲速和橫波聲速可以計(jì)算試塊的楊氏模量和泊松系數(shù)。超聲波速度與傳播介質(zhì)的彈性模量和密度有關(guān)，不同的介質(zhì)，有不同的聲速；并且當(dāng)波型不同時(shí)，介質(zhì)彈性形變形式不同，聲速也不一樣。在各同向性固體介質(zhì)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(shù)，為材料密度。相應(yīng)地，通過測量介質(zhì)的縱波聲速和橫波聲速，利用以上公式可以計(jì)算介質(zhì)的彈性常數(shù)。計(jì)算公式如下：楊氏模量： 泊松系數(shù)： 其中：，為介質(zhì)中縱波聲速，為介質(zhì)中橫波聲速，為介質(zhì)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(nèi)部缺陷的位置和當(dāng)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(shí)驗(yàn)采用絕對探測法，絕對探測法是通過直接測量反射回波時(shí)間，根據(jù)聲速計(jì)算出缺陷的深度。方法是：（1）在試塊上仔細(xì)移動探頭的位置找到鉆孔（缺陷）的最大回波，這時(shí)示波器上缺陷波清楚明顯，探頭處于鉆孔的中心線上（2）調(diào)節(jié)示波器的分辨率，測量缺陷回波的時(shí)間（3）利用己測得的聲速計(jì)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(diǎn)的距離L1，確定斜探頭的入射點(diǎn)按圖2，把探頭分別對準(zhǔn)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(shí)間，則最后IV超聲波的指向性：測量直探頭的擴(kuò)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(yīng)的回波，移動探頭使回波幅度最大，并用鋼尺測量該點(diǎn)的位置x0及對應(yīng)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(diǎn)的位置x1；3.同樣的方法測量探頭右移時(shí)回波幅度下降到最大幅度的一半時(shí)對應(yīng)點(diǎn)的位置x2。則擴(kuò)散角為：超聲波技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用超聲波在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有極其廣泛的應(yīng)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(jìn)行檢測和探傷，可以測量氣體、液體和固體的物理參數(shù)，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(jìn)行檢查。超聲波清洗和加工處理可以應(yīng)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(jīng)用于尖端和精密工業(yè)。大功率超聲可用于機(jī)械加工，使超聲波在拉管、拉絲、擠壓和鉚接等工藝中得到應(yīng)用。應(yīng)用在醫(yī)學(xué)中的超聲波診斷發(fā)展甚快，已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)上三大影象診斷方法之一，與X線、同位素分別應(yīng)用于不同場合，例如超聲波理療、超聲波診斷、腫瘤治療和結(jié)石粉碎等。在農(nóng)業(yè)中，可以用超聲波對有機(jī)體細(xì)胞的殺傷的特性來進(jìn)行消毒滅菌，對作物種子進(jìn)行超聲波處理，有利于種子發(fā)芽和作物增產(chǎn)。此外超聲波的液體處理和凈化可應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)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(diǎn)放在微波電子器件，已經(jīng)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(yīng)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(yàn)及物位測量等方面，超聲波傳感器的應(yīng)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(nèi)將交變的電信號轉(zhuǎn)換成聲信號或者將外界聲場中的聲信號轉(zhuǎn)換為電信號的能量轉(zhuǎn)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(yīng)，而接收換能器則是利用壓電效應(yīng)。超聲換能器的種類很多，按照其結(jié)構(gòu)可分為直探頭(縱波)、斜探頭(橫波)、表面波探頭、雙探頭(一個(gè)發(fā)射，一個(gè)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(shí)現(xiàn)超聲換能器機(jī)電轉(zhuǎn)換的物理效應(yīng)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(zhì)(例如晶體、陶瓷、高分子聚合物等)在其適應(yīng)的方向施加作用力時(shí)，內(nèi)部的電極化狀態(tài)會發(fā)生變化，在電介質(zhì)的某相對兩表面內(nèi)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(zhì)帶電的現(xiàn)象叫做壓電效應(yīng)。相反地，若在電介質(zhì)上加一外電場，在此電場作用下，電介質(zhì)內(nèi)部電極化狀態(tài)會發(fā)生相應(yīng)的變化，產(chǎn)生與外加電場強(qiáng)度成正比的應(yīng)變現(xiàn)象，這一現(xiàn)象叫做逆壓電效應(yīng)。壓電材料是壓電換能器的研制、應(yīng)用和發(fā)展的關(guān)鍵。大致可分為五類：壓電單晶體、壓電多晶體、壓電半導(dǎo)體、壓電高分子聚合物、復(fù)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(shí)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(chǔ)研究方面或是在應(yīng)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(shí)際應(yīng)用提高到一個(gè)新的高度。壓電陶瓷是當(dāng)今最有可為的壓電材料，目前在壓電材料中無論數(shù)量上還是質(zhì)量上均處于支配地位，其原因是它有如下優(yōu)點(diǎn)：(l)所用原材料價(jià)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(shè)計(jì)要求；(5)機(jī)械強(qiáng)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(chǎn)周期較短，價(jià)格適中。根據(jù)不同的實(shí)際應(yīng)用情況，超聲波傳感器產(chǎn)生不同頻率。如應(yīng)用在流量測量領(lǐng)域，聲波的頻率在30kHz到5MHz之間；應(yīng)用在物位測量領(lǐng)域時(shí)，聲波的頻率會低一些，一般在30kHz到200kHz之間；而當(dāng)應(yīng)用在檢測裝置（如測厚儀和探傷檢驗(yàn)裝置）上時(shí)，聲波的頻率范圍很廣，但是總體上來說要比用于其它領(lǐng)域時(shí)高很多。2、超聲波測距超聲波因其指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，而經(jīng)常用于進(jìn)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(jī)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)合理，計(jì)算處理也較方便，測量精度能達(dá)到各種場合使用的要求。３、超聲波在醫(yī)療方面的應(yīng)用醫(yī)學(xué)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(shù)掃描腦部結(jié)構(gòu)；以后到了60年代醫(yī)生們開始將超聲波應(yīng)用于腹部器官的探測。如今超聲波掃描技術(shù)已成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診斷不可缺少的工具。醫(yī)學(xué)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(nèi)，當(dāng)它在體內(nèi)遇到界面時(shí)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?yàn)槿梭w各種組織的形態(tài)與結(jié)構(gòu)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(jié)合解剖學(xué)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(yīng)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(shí)質(zhì)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(shí)，首先將人體界面的反射信號轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)弱不同的光點(diǎn)，這些光點(diǎn)可通過熒光屏顯現(xiàn)出來，這種方法直觀性好，重復(fù)性強(qiáng)，可供前后對比，所以廣泛用于婦產(chǎn)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(shí)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(jié)構(gòu)的位置、活動狀態(tài)、結(jié)構(gòu)的狀況等，多用于輔助心臟及大血管疫病的診斷。D