超声波的基本原理及传播特点 1.docx

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超声波的基本原理及传播特点1

摘要

超声波是一种高能机械波，本文通过介绍超声波的产生机制和基本原理。

让读者更深层次的认识超声波，文中根据超声波的自身特点从超声波传感器、超声波测距、及超声波在纸浆造纸中、医学诊断中、生物技术领域中、军事中的应用这六个方面进行详细讲述。

超声波是一门年轻的学科，随着超声研究技术的不断成熟，未来将会更好的应用在生产生活中。

关键词：

超声波；传感器；测距；医学诊断

Abstract

Ultrasonicisakindofhigh-energymechanicalwave,thispaperintroducesthebasicprincipleofultrasonicgenerationmechanismandgivereadersadeeperunderstandingofultrasound,inthispaper,accordingtothecharacteristicsofultrasonicsensors,ultrasonicdistancemeasurement,andultrasonicinpulppapermaking,medicaldiagnosis,inthefieldofbiotechnology,theapplicationofthemilitaryinthesesixaspectsindetail.Ultrasonicisayoungdiscipline,withtheultrasonictechnologymatures,thefuturewillbebetterapplicationintheproductionandliving.

Keywords:

ultrasonic；thesensor；ranging;medicaldiagnosis

引言

超声波最早被人类发现是在1793年由意大利科学家斯帕拉捷在蝙蝠身上发现其存在，随后的30多年里人们进行了有关超声波的产生机理方面的大量研究，直到1830年F·Savar用齿轮产生

HZ的超声，首次实现了人类在人工控制下超声波的产生，开启了超声历史的新纪元，其他新技术如压电效应与逆压电效应的发现大大推动了超声波的快速发展，在随后的60年间，世界各地区有关超声技术的研究不断的取得突破性成果，20世纪的40年代超声技术开始应用于临床医疗方面，这也同样推动了人类医疗事业的发展，有关超声波在医学方面的应用与研究取得突破性进展，国际间也有过许多的交流与合作，共同推动了超声科技的发展和进步。

我国在超声方面的研究相对落后于国际主流国家，我国由于当时特别的时期和特别的情况，20世纪60年代才开始超声方面的研究，有关超声学的相关研究始于也在这个时期真正开始，并且在随后的几年发展中取得了许多重要成果和重要的应用，如金属探伤、种子的培育、印染等。

在基础研究方面也取得了重要进展，如研制出有关超声波在固体中衰减所用的检测设备，进行了有关超声乳化等课题的研究，研制出分子声学试验等设备，表面换能器的相关研究在1960年左右开始。

改革开放的新时期，超声技术开始了实际应用之路，并且在该领域的一些列成果开始走进我们的生产生活之中，例如超声诊断，高频压电材料研制成功并且走向实用[1]，复合型超声波换能器问世，超声焊接技术，超声波清洗技术等一系列的成果逐步应用并且走向成熟，而且还催生了一大批的产业，并且目前已经形成了相当大规模，鉴于超声研究的重要性及其所蕴含的巨大潜力，国家也相应投入大笔资金和人力进行相关的研究，如建立国家级的重点实验室，扶植相关科研机构有关超声方面的研究。

总而言之，我们国内的超声学研究取得了长足发展，有些领域已走在国际水平的前列。

超声技术是20世纪发展起来的高新技术，是一门集物理、电子、机械及材料学为基础的多学科交叉的边缘科学，其应用跨涉多个行业领域。

新技术的应用会推动经济的发展，也能在某种程度上提高我们的生活质量，也可以增加个人和企业在日常生产中的安全系数，同时也能降低生产成本，在日新月异的今天对于提高生产效率也功不可没。

其应用总体上包括两大方面：

第一类是超声加工和处理技术；第二类就是超声检测与控制技术[2]，第一类技术应用是通过超声波去改变物质本身的特性或者状态，以满足生产生活需要。

第二类应用主要是超声波本身的检测及测量，这两类技术的应用非常广泛，在军事、农业等领域的应用不胜枚举也颇为常见，超声技术蕴含着巨大的发展潜力，这也引起了包括中国在内的美国、德国、加拿大等国内国际的广泛关注。

1.超声波基本原理及传播特点

1.1什么是超声波

超声波是指频率高于20000Hz的一种人无法听见的声波，由于人耳的听觉频率范围在20赫兹和20000赫兹之间，若声音的振动频率高于20000Hz人耳就无法听到，因此习惯上把频率高于20000赫兹的声波称为超声波[3]，当然低于20赫兹的也不在我们的听觉范围内，属于次声波，超声波是一种机械波，机械振动与波动是超声波探伤的物理基础，超声波也属于声波家族中的一员，它与平常听到的声音的本质是一样的，其共同的特点是都属于机械振动，属于能量和动量之间的一种传播形式，在弹性介质内常常以纵波的形式传播，它们之间不同点在于超声的频率高，波长较短所以说超声波的衍射能力不是很强，在介质一定密度不变的情况下，超声波能通常的障碍物都会比超声波的波长大很多够沿着波的方向一致沿直线传波，超声波的波长相对来说越短的话，直射能力就越好，在一定距离范围内可沿直线传播，具有非常好的束射性与方向性。

1.2超声波的基本原理

1.2.1压电效应及脉冲超声波的产生

部分固体受到压力或者拉力时，将会产生形变导致使物质发生极化，并且在物质的表面产生正负束缚电荷的现象叫作压电效应。

物质本身的压电效应和它的本身内部结构有关，例如石英晶体，它的化学成分为SiO2，可将其看作是由正4价的Si离子和负2价O离子组成，石英晶体的分子中两种离子可形成规整的六角形排列。

如下图所示，三个正原子形成一个向右的正三角形，正电中心可看作在三角形的重心处。

同上述方法，三个带负电的原子对将组成一个向左的三角形，其负电中心也同样在三角形的重心上，若晶体不受力时，两个三角形重心重合，六角形单元呈电中性，同时整个晶体也呈电中性。

（Quartzcrystalstructure）（Pullforceundertheactionofpolarization）（Crystalmacroscopicpolarization）

石英晶体的压电效应

Fig:

Thepiezoelectriceffectofquartzcrystal

当晶体沿x方向受到拉力时或者沿y方向受到压力时，六角形将沿x方向变形拉长，这将使得正负电的中心不重合，虽然此时的六角形仍然呈现电中性，但是其正负电中心不重合导致产生电偶极矩

，整个晶体中其实有许多这样的电偶极矩排列，这也使得晶体出现极化现象，晶体左右表面出现束缚电荷。

但是当外力消失的时候，晶体将会恢复为原状，极化现象也将会消失。

类似的，若晶体沿y方向受到拉力或者沿x方向受到压力时，正负原子三角形都将被压扁变形，这将也造成正负电中心不重合，但此时电偶极矩的方向和x所受拉力时方向相反，晶体的极化方向也相反，即压电效应产生的本质，其他晶体如太酸钡，即便是没有受到外力作用正负电中心仍然不会重合，通常把这种现象叫做自极化现象，这类晶体中具有压电效应与逆压电效应的陶瓷材料常被称作压电陶瓷。

若压电陶瓷在被加工成平面形状以后，在其正反面镀上银作电极以后，该器件被称作压电晶片。

当给压电晶片两极人为施加施加电压短脉冲时,逆压电效应的存在致使晶片将发生弹性形变，其产生弹性振荡,由此产生的频率与晶片的声速和厚度有联系,只要选择合适的晶片厚度就可以在可控下得到超声频率范围的弹性波,也就是通常所说的超声波，在振动源振动过程中，由于各种因素的影响，比如能量的损失，导致其振幅的慢慢变小，最后它是以超声波波包的形式对外进行发射的，一般把它叫作脉冲波

1.2.2超声波的波形

超声波在本质上与普通的声波是一致的，其许多的传播规律和传播特性都符合波的传播特点，两者都是因频率而划定界限，因此携带的能量也不同，大体上存在以下三种波形[4]:

纵波波形是当传播媒质中各点振动的方向和超声波的传播方向平行时，该波形被称作纵波波形。

纵波是质点的振动方向与传播方向平行的波，任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波，纵波在固体、液体和气体中都可以传播。

横波波形是当传播媒质中各点振动方向和波的传播方向垂直时，该超声波被称作横波波形，横波也称“凹凸波”，是质点的振动方向与波的传播方向垂直。

由于媒质除了能承受体积变形外，横波的产生需要剪切应力交替作用在物体上，例如地震波横波的产生就需要平行于地表的力即剪切应力的交替作用，横波的传播介质比较单一，固体有切变弹性，它只在固体介质中传播。

横波不能穿过气体和液体。

表面波波形是沿着两种媒质的界面传播的同时具有纵波和横波的双重性质的一种弹性波。

声表面波不仅可以在各向同性均匀固体中传播，而且也可以在不均匀的（如分层的）固体介质中传播。

不过，这时它是频散的，并且存在多种模式。

在各向异性介质（如晶体）中，也可能存在声表面波，但由于介质的各向异性，其传播特性随表面的取向和传播方向而不同，而质点振动一般有三个分量。

对于均匀的晶体，其传播也是非频散的，表面波的振动轨迹为椭圆，并且在距离表面四分之一的地方振幅最强，随深度增加逐渐减弱，在处理相关表面波的问题时可将其看作纵波与横波的合成，采用分解的方法处理实际问题时相对简单。

1.3超声波的传播特点

超声波在我们的日常生产生活中扮演着举足轻重的角色和其本身的特点是离不开的，性质决定其用途，与普通声波相比，超声波具有许多优点，如下:

（1）直射性好。

超声波的频率相对来说比较高,它的波长和声波相比之下要短的多,衍射现象也不是很明显,容易得到定向而集中的波束，在一定距离内可沿着直线传播，在遇到障碍物时会发生反射，遵循反射与折射定律。

（2）功率大。

这是由超声波本身的特点所决定的，因其波长相对较短，频率也较高，本身又属于能量的传播形式，这也就说明它本身是携带了更强的能量，大功率的超声波简称功率超声。

（3）穿透能力强。

超声波在固体或者液体中时衰减很小，这也是其在水下探测及探伤方面取得重要应用的原因所在，介质吸收系数随波的频率增大而增大，超声波的频率增加时其穿透本领会下降，因此在不同的应用中，其频率的选择不同。

在不透明的固体中,超声波能够无损穿透几十米的厚度,这反面可用于金属等材料的探伤，液体中用于海底地形扫测和侦察，超声波在遇到杂质或者介质分界面时会有明显的反射，但其弱点在于超声波在空气中衰减较快，无法利用超声波进行空中远距离探测。

（4）能产生空化作用。

超声波在液体中传播时,由于其本身是一种机械波,若液体受压产生逐级压,相对比较稳定，因此液体能耐压，而承受拉力的能力却很差，因此当超声波的波浓度足够大时，承受不住拉力而发生断裂，导致其产生近似于真空或者只含少量气体的空穴，在声波的压缩阶段,这些空穴也被压缩，直到它们崩溃，在这些空穴崩溃过程中将会发生放电并伴随发光现象,此现象被称作空化作用。

也正是由于这些特点的存在，促使超声波走进我们的生产生活之中，在国防、医疗，科技创新、农业等许多领域得到了重要的应用。

2.超声波的应用

超声波在工农业生产以及生活中扮演着极其重要的角色，它的足迹涉足的领域包括超声诊断、超声波探伤、大功率超声、超声波理疗、超声波检测、超声波处理等，在工业中超声可用来对材料的内部结构进行检测和探伤，同时也可以测量气体，液体或者固体的物理参数，测量物体的厚度，液面的高度、流量、粘度或者硬度等等，也可以对材料的焊缝处、粘接处等进行全面检查。

在其他应用方面如超声波清洗和加工处理还可以被应用在切割、焊接、喷雾、乳化、电镀等工艺中，超声波清洗技术是一种高效率的洗涤方法，已经在尖端和精密工业中得到普及。

大功率超声也可用于机械加工之中，使超声波在拉管、拉丝、挤压和铆接等工艺中得到应用。

医学中的超声波诊断发展甚快，且应用效果很好，已经成为医学上三大影象诊断方法之一，与X线、同位素分别应用于不同场合，例如超声波理疗、超声波诊断、肿瘤治疗和结石粉碎等。

在农业生产中，可以用超声波对有机体细胞的杀伤的特性来进行消毒灭菌，对作物种子进行超声波处理，有利于提高种子发芽率和也能促使作物增产增收。

此外超声波的液体处理和净化也可应用于环境保护中，例如超声波水处理、燃油乳化、大气除尘等，微波超声的应用重点在于微波电子器件，已经制成了超声波延迟线、声电放大器、声电滤波器、脉冲压缩滤波器等，以下面就对超声波的几个典型应用加以描述：

2.1超声波在制浆造纸工业中的应用

2.1.1纸浆预处理

利用超声技术处理纸浆，使之产生机械的打浆效应。

研究发现，利用超声波处理木浆，具有与机械打浆、精浆相类似的效果，可对纤维细胞壁产生位移、变形以及细纤维化等作用。

这主要是由于超声波空化产生的微流对纤维的冲击、剪切作用，使纤维纤维细胞壁出现裂纹、发生位移和变形，初生壁和次生壁外层破裂脱除，次生壁中层暴露出来：

或使纤维产生纵向分裂，发生细纤维化。

超声波处理不仅对纤维有机械打浆效应，而且经超声波处理后，纤维的保水值增大，纤维的可及度和反应性能显著提高。

对于含较多果胶质的纤维，利用超声波达到脱胶效果。

超声波对于合成纤维的表面更是发挥了很好的作用，可以活化纤维表面，是纤维表面的含氧官能团增加，引起纤维表面张力中极性分子增加，研究还发现，超声波对纤维表面有刻蚀作用，纤维比表面增加，大大提高了纤维的层间结合能力[5]，由于高分子化合物与液体之间超声速度差产生磨擦力，使纤维结构破坏。

使用超声波处理各种纸浆，使纤维达到润胀，外层剥离，细纤维化，从而增加成纸强度.

2.1.2超声波检测

超声波检测技术是利用超声来进行各种检验和测量的技术，它是利用待测的介质特性和状态有关的非声学量（如液体的密度、浓度、黏度、流量、应力及温度等）与某些描述介质声学特性的超声量（如声速、声衰减、声阻抗等）之间存在的关系，通过这些超声量的测定来分析介质的特性，评价介质质量与工程有关的参量。

超声波传播的方向性很好，尤其在液体和固体中传播时衰减很小，超声波遇到杂质时会受到散射和吸收，碰到媒质分界面时有显著的反射，利用这些特性，可以通过测量一定能量超声波在固体悬浮物的液体中传播时的衰减量，间接得到液体中固体悬浮物的含量，由此可以测定和控制浆料或白水的浓度，据此原理生产的超声流量计、超声波料位仪等具有反应灵敏、测量精度高、对人体没有伤害等优点，利用超声波直接测定纸张的抗张挺度取向，检测过程无创伤、快速，测定结果直接准确，是纸张检测很好的工具[6].应用超声技术检测真空系统泄漏，是行之有效的方法，具有简单、快捷、准确、成本低、操作简单等特点

2.2超声波传感器

超声波传感器在流量测量、材料的无损检测、物体位置的测量中应用极为广泛。

因此，超声波传感器的地位就显得特别重要，首先简单的介绍一下超声波传感器。

超声波传感器分为两类，分别是接受换能器和发射换能器，这两者的原理是不同的，接受换能器利用逆压电效应而发射换能器利用压电效应。

超声波换能器又叫超声波探头，是指在超声频率范围内，将交变的电信号转换成声信号的转换器件；或者将声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。

它本身既能产生超声波又能接受超声波的回波，从而实现了能量的转换。

超声换按照结构分为直探头、斜探头、表面波探头、单探头、双探头、聚焦探头等。

按照物理效应不同分为电动式、电磁式、磁致伸缩式和电致伸缩式等。

随着材料科学的发展及对某些材料认识的突破，超声波换能器的发展也被带动起来了，作为换能器的材料也开始有多种选择，例如晶体、陶瓷、聚合物等这些电介质。

当对这些电介质在某一个方向上施加作用力时，这些电介质内部的电极化状态就会随之改变，在其的某相对两表面就会出现束缚电荷，这些电荷与外力成正比，由于外加作用力使电介质带电的现象称为压电效应。

相反地，如果给这些电介质外加一电场，由于电场的作用，其内部电极化状态将会发生的变化，产生了应变现象，这一现象与外加电场强度成正比的被称为逆压电效应。

压电材料是压电换能器的研制、应用和发展的关键[7]。

压电材料大致可分为五类：

压电单晶体和多晶体、压电高分子聚合物、复合压电材料、压电半导体。

压电陶瓷是压电多晶材料的核心，它的的压电性能比较好。

压电陶瓷至今已经有30多年的历史。

在材料基础研究和实际应用中都发展迅速。

正是由于压电陶瓷的出现才使压电换能器的实际应用上了一个新的台阶，所以压电陶瓷是现今潜力最大、用途最广的压电材料，目前在压电材料中处于支配地位，它的优点：

原材料的价格低廉；不溶于水，不易被酸、碱腐蚀损坏；压电性能较好；种类繁多而且性能各异，可以满足不同领域的需求；易加工，可设计成各种形状；由于不同的形状和电极化轴，从而可以得到各种振动模式；制作工艺简单，生产周期短。

超声波传感器根据实际需要不同可以产生相应的频率。

例如频率在30kHz到5MHz之间可以应用在流量测量领域中；在30kHz到200kHz之间可以应用在物位测量中；当应用在检测装置上时，要求声波的频率范围就很宽。

2.3超声波测距

超声波在介质中有指向性强、能量损耗较慢，传播距离较远的特点，因此可用在测距方面。

超声波测距是指超声波发出后遇到障碍物被反射回来的时间，根据发射和接收的时间差来计算发射点到障碍物的距离。

其中已知量为超声波在空气中的传播速度。

超声波测距的具体公式为：

S=C×T

（1）

式中S为测量点到障碍体的距离；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量点到被测物体距离所传播的时间差。

超声波测距在日常生活的应用很广泛，主要应用在倒车提醒、超速检测、建筑业等，超声波测距虽然测量精度能达到厘米级，但探测距离只有几百米，所以对它的应用也大大有所限制。

由于超声波具有可以定向发射、强度容易控制和不需要直接接触测量物体的优点，所以可作为液体高度测量。

目前国内的制造的超声波测距集成电路的测量精度只达到厘米级，这还不能满足精密的液位测量，通过大量研究分析，发现超声波测距产生误差的原因，我国设计的高精度超声波测距仪精度是可以能达到毫米级的[8]。

根据超声波测距公式S=C×T，可知产生的的误差主要是由于超声波的传播速度的测量误差和测量距离传播的时间误差。

2.4超声波在医学诊断中的应用

1942年奥地利医生首次在医学上利用了超声技术进行人体脑部结构的扫描，直到六十年代，开始用于人体腹部器官的扫描探测【11】。

目前，超声波诊断根据不同的成像原理，分为A型、B型、M型、D型超声波四大类。

其中A型超声波也称为超声示波诊断，最早在医学上应用的，现在已经很少在用了，它是通过波形来显示主治特征的一种方法，主要用于测量肝、胆、脾等器官的径线，以判断其大小。

B型超声波是通过平面图形的形式来反映探查组织的一些情况，由于这种方法比较直观，可重复性强，可以前后进行对比，所以在医学上应用比较广泛，应用于妇产科、消化系统、心血管及泌尿系统的诊断，它在检查时第一部先将人体器官的反射信号转变为一些强弱不同的光点，光点通过荧光屏显示出来。

M型超声波主要用于观察活动的界面方法，在医学上常用于检查心脏的跳动和对大血管疾病的诊断，把这些跳动用曲线形式表示出来称为超声心动图，从而达到观察心脏各层结构的位置和活动状态的目的。

D型超声波也称为多普勒超声诊断，专门用于检测血液流动情况和各个器官活动的诊断方法，从而可以看出血管是不是通畅，官腔有无狭窄和堵塞。

随着科技的发展D型超声波也在更新，新式D型超声波还能测定血液的流量，其中加入了彩色编码多普勒系统，可以用不同的颜色显示血流的方向，颜色的深浅现实血流的速度。

除了这些现在还有立体超声显像、超声内窥镜和CT等疾病辅助诊断技术，从而使疾病的诊断准确率得到提高。

目前超声诊断正向三维方向发展，在怀孕期的检测、腹部和胸部肿瘤和心肌损伤等上都可以得到比较直观的立体图像。

随着科学技术的发展，超声波技术在医学界也发挥着很大的作用，科学在不断进步，超声技术会更加完善，更好的服务于人类社会。

2.5超声波在生物技术领域的应用

超声波技术在生物学领域的应用也很广泛，其中超声波的生物学效应在生物技术中的应用意义尤为重大，下面从两点进行介绍：

2.5.1用于培养液和药物的雾化

超声波雾化主要利用电子的高频率震荡实现，振荡频率1.4MHZ或2.4MHZ。

对于培养液和药物雾化主要利用水中空穴效应，由于水中的空穴发生了剧烈的碰撞，在高温、高压的作用下会出现高压水流，如果空穴的剧烈碰撞发生在水和空气的接触面上，则空穴周围的水粉就会碎成小的微粒，从而形成了水雾，从水中溢出。

日常生活中如空气加湿器、药物的雾化器喝雾化植物培养等都得到了大大的应用。

由于水培植物的供养和营养液的循环装置需求都存在困难，所以应用超声波使营养液达到雾化，进行室内无基质培养或气培植物，就解决了这一困难。

2.5.2提高种子的发芽率和遗传物质的转化率

超声波的生物学效应，其在农作物增产及沙地绿化等方面有着重要的用途，用超声波处理的种子，其发芽率与种子的成活率都有所改善，可以提高作物产量和植树种草的成活率，正是因为这样，所以超声波的生物学效应，在农作物的增产上和对沙地绿化等方面有很大的用途。

如用超声波水浴对黑皮冬瓜种子进行处理，进行种子发芽试验，结果发现超声波处理后可促进了黑皮种子的萌发速度，提高种子的活力[12]；用超声波处理落叶松、云杉等林木种子，可改善林木种子的播种品质，提高种子发芽势和发芽率[13]，超声波不仅可以改善植物的一些性能，也能对动物的一些机能，如经过超声波的处理可增加鱼卵的孵化率与孵出鱼苗的成活率。

可使细胞通透性增加，利于胞内、外物质扩散与流动，从而利于遗传物质的转化，强化药物的治疗和释放胞内代谢等。

文献报道超声[14]波处理可修复外植体上的微小伤口，达到提高农杆菌和外植体的接触面积，使外植体的遗传物质转化率提高。

2.6超声波在军事领域的应用

超声波传播的直线型被广泛应用在在军事上，因此可以通过定向发射，然后接收其反射回来的声波来确定目标位置，声纳就是利用这种原理进行工作的，可以用它来确定鱼群或者水下目标的方位，也可以通过超声波扫描来获取海底地形地貌和敌方目标的潜艇等，在今年搜寻马航失联客机MH370的行动中，用到的装备“蓝旗金枪鱼”就是利用超声波扫描对海底进行探测，以确定失联客机的大致方位，在现代科技中虽然主要应用雷达进行目标的探测，但是水中依然采用声纳进行探测，主要原因是海水本身导电性好，所以对电磁波的吸收能力也很强，雷达探测不到水下的作战目标和具体位置，超声波在空气中衰减速度比在固体和液体中快得多，正好和电磁波相反，种种限制下使得声纳技术的优势得以显现出来，还有一方面就是海水的比热容大，吸收热量的能力较强，因此红外线技术在水下探测中就完全丧失了作用，海水本身透光性差，吸收光的能力很强，若是通过光学设备进行目标的监测和搜寻也是不切实际的，这也使得声纳技术在军事领域占据着不可动摇的地位。

3．结束语

超声学已经有100多年的发展了，它是一门应用性很强的学科。

超声学在各个领域都有应用，例如在国防、工农业、医学等领域。

它不断借鉴电子学、材料科学、光学、固体物理等其他学科的内容，而使自己更加丰富。

同时，超声学也为电子学、材料学、固体物理的发展的发展提供了一些重要器件和有效的研究手段，与此同时也从这些学科中发展了自己。

比如超声探伤和超声成像技术都是借鉴了雷达的原理和技术而发展起来的，而超声的发展又为电子学、光电子学、雷达技术的发展提供了超声延迟线、滤波器、卷积器、声光调制器等重要的体波和表面波器件。

虽然有这么多的应用，但超声学仍可以成为年轻的学科，因为