超声波.docx

超声波.docx

《超声波.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超声波.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

超声波

二、相关知识

所谓超音波就是“人类耳朵所无法听见的音波”，超音波的性质与可听见音波的性质极为类似，但频率愈高，差别则越大，当频率增到极高频时，很像微波及光波。

超音波的传导媒体不限于空气，很多液体及固体也可以做为媒体，且由于频率高、波长短，可做高解析度的计测，因此，使得现今超音波的使用急剧的增加。

超音波的应用范围极广，大致可分成以计测、通讯为目的的资讯应用以及利用其能里的动力应用。

资讯方面的应用举凡利用超音波的波动以获某种资讯的应用技术皆是，如鱼群探知，测深之类的声纳；金属探伤、厚度、流速之类的工业计测；以及医学的诊断法等。

动力的应用系利用超音波的能量形成，检知物体或物质的变化或使物体做某种程度变化的应用技术，如金属类的疲劳试验、细菌破坏、超音波加工、振动切削、超音波洗净等皆是。

表7-1所示，即为超音波的动力应用，而表7-2所示即为超音波在资讯中的各种应用。

表7-1

名称与方法

用途

1、液体粒子在液中分散

乳液制造等

2、固体粒子集团在液中的分散

印刷油墨、电子照相油墨、电阴体用碳粒子的制造、电子显微镜用的试料调制等

3、细胞膜破坏

细菌毒素、酵母酵素的抽出

4、洗净：

在洗净液中破坏、分离污物

精密机械与零件、餐具、医疗器具等

5、液中微粒子的集合

水中微粉炭的凝集

6、化学反应促进：

接触面的反应生成物之扩散促进

油脂的精制

7、电镀：

防止电极面的过电压状态

电镀速度、光滤、耐磨耗性等的改善、针孔防止

8、金属氧化膜的破坏除去

焊接、酸洗处理

9、脱气：

液中溶解气体的除去

将融解金属脱气防止气孔

10、金属凝结时的结晶微粒化

铝等

11、集尘：

气中的微粒子集合

烟害防止、资源回收

12、干燥：

水蒸气的扩散促进

食品、粉体干燥

13、超音波加工：

微细冲击破坏的反应（硬脆材料）

锗、矽、水晶、红宝石、钻石、金属等的开孔、世断

14、超音波振动切削：

车刀冲击破坏的反应用（金属切削）

车床、刨床、铣床、钻床、等刀具切削

15、超音波熔接：

接触面滑动振动发热的压接

箔、薄板、细线、塑料等（压伸振动所致的发热）

16、金属等的疲劳试验：

试料共振造成大音压（大应力）

短时间反覆107~109次

17、油粘度的寿命试验：

cavitation所致的高分子切断

制动用油、润滑油

18、抽线加工：

眼模振动冲击促进变形

19、医疗器：

微细按摩与发热促进代谢

慢性病、外伤后遗症等

20、超音波手术：

超音波焦点的破坏（远隔破坏）

脑内部的非切开手术

表7-2超音波的资讯应用

名称与方法

用途

1、声纳：

水中脉冲反响取得反射源情报

鱼群、鲸、潜水艇探知、测深、海底地层探查

2、金属探测：

固体中脉冲反响取得反射源情报

机械、装置等重要零件与其素材的非破坏检查

诊断器：

同上

癌、脑肿瘤、脑内出血、其他

4、金属厚度计：

反对面反射板与送信波的干涉（周波数拂掠）

高压槽、锅炉、钢瓶、缆铅等厚度的外侧计测

5、机械滤波器：

经机械性共振体复合系的振动传送

电气滤波器的小形化

6、迟延线：

固体中脉冲传播时间

电气脉冲迟延、记忆装置

7、水中通信用超音波为载波的通信

水中遥测计（鱼网深度等）短距离水中电话

8、水位计、液面计等：

脉冲反响测距

工业计测

9、风速计、流速计、血流计等：

多普勒效果

工业计测、医学诊断

10、成分计（气体、液体）：

测定混合物音速

工业计测、控制用检知器

11、室内音响模型实验：

以波长之比缩小模形

室内音响学的研究实验、音乐厅设计等

12、物性的研究手段：

干涉计，利用光绕射等精密测定波长，测定超音波吸收衰减

从波长精密测定音速、弹性率，从分散研究分子运动、化学反应速度等

13、超音波放大：

压电半导体中电子流与超音波的相互作用

超高周波电气信号放大的可能性

超音波的使用，由于电子技术的急速发展及突破，电路的价格及体积的大小均获得良好的改善，因此也扩大了超音波的应用范围。

尤其产生超音波的元件，磁变形材料、压电、电变形材料的新发现及开发，将促使更高效率的振动子问世及实用化，超音波的扩大应用是指日可待的。

吾人在此际，更须熟悉超音波的各项特性及应用，企求对超单波有更深一层的认识，进而加以实用。

（一）超音波的基本特性

1、超音波的频率范围：

打击乐器、弹奏钢琴，可听到声响，这是由于乐器的振动，经由周围的空气，传送到人耳，振动耳膜，致使听觉神经感受到声响。

而音的高低取决于振动数的多少，音的强弱取决于振动振幅的大小。

一般人耳可听见的周波数范围为16Hz~20KHz，但此频率范围的界限，将因音的强度或个人听觉的关系有关，所以一般人耳的感音范围大致可绘成如果7-1所示的关系图。

既此，超音波的周波数下限当然也不易决定，通常将20KHz以上的音波称为超音波（Ultrasonicwave）。

但是听得到、听不到只是人耳的感觉问题，有时为了配合使用，也将频率降至10KHz，但有时也可能将频率升到1000MHz。

2、超音波的种类：

超音波的发射方式不同，造成了超音波种类的不同，大致上可分为五类，如图7-2所示，图（a）的纵波（Longitudinalwave’p波）又称压缩波（compressionwave），媒质粒子的振动与波的进行方向一致，专供强力超音波的运用。

图（b）亦为纵波，比起图（a）的纵波，波速慢了许多，主要是因为此类纵波是在直径小的棒中传输。

图（c）为横波（transersewave）又称剪断波（shearwave，S波）媒质粒子的振动与垂直波的进行方向一致，常用于超音波探勘计等的计测中。

图（d）为表面波（surfacewave）又称Rayleigh。

图（e）为弯曲波（flexuralwave，bendingwave），它是在棒或板的挠曲振动时出现的，在沿波进行方向的中心线上之媒质粒子只进行横振动，接近媒质表面的粒子进行压缩、伸张运动。

3、超音波的波速与波长：

超音波的音速C、波长λ、频率f之间有㆘式关系：

C=fxλ

表7-3为超音波在各种媒质中的音速，图7-3所示为超音波在空气、水、金属中的波长与周波数的关系，图中以实线与虚线区分超音波的使用范围。

由上所述可知，纵波的音速在常温空气中约3.4x104cm/s，在水中为1.4x105cm/s，铝中为6.22x105cm/sec，如果发射一个超音波的频率为40KHz，则可利用C=f．λ求出，超音波在空气中，水中及铝中的波长λ：

空气中：

水中：

铝中：

4.、超音波的损失：

理想上，超音波发射出去后，会一面扩大，一面直线前进，只要媒体没有吸收超音波的性质，音的强度不论传到任何地方都不会变多。

不过实际上音的强度随着距离的增加而逐渐减弱。

其原因有二：

一是随着距离的增加波面会扩大而造成扩散损失，另外一方面，超音波会被传播媒体吸收及散射而造成波动能量的损失。

一般称为吸收损失，亦称衰减。

图7-4所示即为超音波在各类媒质中的衰减情形，读者于图中将可发现频率愈低的超音波其衰减将愈小。

5、超音波的指向性：

超音波的指向性相当尖锐，如图7-5以一个半径为R的圆板音源成活塞状振动，发射出具λ波长的超音波，则其指向角θ，可以sinθ=0.61．λ／R表示之，例如从直径30mm的振动子，对油中发射出1MHz的超音波，使得λ／R=10，于是其指向角θ=4°，可见超音波欲集中角度，可将λ降低或增大R，但一般以降低λ居多。

6、超音波的反射、透射与折射

当超音波经过性质不同的媒体交界面时，一部份会反射，其余的会穿透过去。

这种反射或穿透的强度，则由这两个交界的媒体的音响阻抗Z决定。

所谓音响阻抗即为媒体的密度（ρ）与音速（C）的乘积。

假设现在将超音波垂直的射入固有音响阻抗不同的交界面如图7-6，则音波的反射率γ可用下式表示：

由上式可知两个媒体的音响阻抗差越大，则反射率也就越大。

超音波射入交界面除了部份反射外，其余的全部穿透过去，而超音波的穿透率T可以下式表示之。

表7-4所示，为各种媒质间的反射率（％），例如水至空气之间其反射率为100％，代表超音波在水中行进时，完全不会外泄至空气中。

图7-7所示，在不同媒质间设厚度L的其它媒质，传播超音波时，或欲遮断超音波时，此时的透射率T1为

式中K=2πf/C2，Z1=ρ1C1，Z2=ρ2C2，Z3=ρ3C3

f=超音波的频率

若邻接中间媒质的左右媒质相同,即Z1＝Z2时则T1可简化为

由上式可推论得知，欲增大穿透率T1，可以使中间层Z2尽量接近Z1，而且用薄板（使L愈小愈好），或厚度为超音波半波长之整数倍的板。

若按此要领设计则穿透率T1变成：

如图7-8如果超音波斜着射入固有音响阻抗不同的交界面时，超音波会发生折射，令入射角为θi，折射角为θt，C1为入射前之音速，C2为折射后的音速，其关系可以下式表示：

7、超音波的空洞现象：

在液体中发射强力超音波时，若发射的超音波为纵波，在液体中又发生负压过大现象时，负压会将液体拉裂，发生空孔，此即空洞现象，如图7-9所示，为空洞的发生示意图。

此类现象具氧化、搅拌、破坏等各种作用，所以有时超音波也常常用来做氧化、还原反应及洗净等工作。

（二）超音波发生法与振动子的设计

目前较常用的超音波发生法大致如表7-5所示，表中分机械性振动与电气驱动两种，在本节将对电气驱动式超音波做详细介绍。

电气驱动式超音波依驱动原理可分为压电形、电伸缩形、磁伸缩形等三种：

1、压电形振动子：

压电形超音波的发生，是利用压晶体管，加入电压后，产生自由振荡信号的方式来形成的，所使用的振动子材料有三，分别是水晶、Rochelle盐及ADP（AmmoniumDihydrogenPhosphate），如图7-10为这三类材料的结晶形态。

表7-6所示，为各结晶体的切削角度及其它电气特性。

2、电伸缩形振动子：

电伸缩材料异于水晶类压电材料、可烧结任意形状、尺寸的振动子，如图7-11所示6种形状为电伸缩形材料常烧结的形状，电伸缩材料欲形成振荡，在两电极间须加入直流高电压并使之正负变化，此时材料尺寸会有伸缩现象，因此压缩空气，便传送出振动信号，电伸缩式超音波信号送出的形式和材料的形状有关，如图7-11所示其形状不同，所产生的信号振动方式亦不同。

电伸缩形式的材料较常使用的有钛酸钡及锆酸钛酸铅两种。

如表7-7为材料特性及一般用途。

3.、磁伸缩形：

将镍等强磁性体作成棒状，置于磁场中而磁化，长度在磁化方向起变化，此即磁伸缩现象。

磁伸缩现象依金属材质而异，较常用的材质有镍、alufer合金（AF合金、AL12％、Fe88％）ferrite烧结金属，其磁伸缩率各有其一定规格，如图7-12为各种形状的磁伸缩形振动子。

表7-8为其材料特性。

综上所述，我们可将压电、电伸缩、磁伸缩各振动子的特性做比较，如表7-9所示，供读者参考。

（三）超音波的发射与接收电路

超音波的发射强度须视其应用范围决定，在前节也曾提及，超音波的应用范围大致可分为动力应用与信息应用，而超音波的发射强度，也是就这两大类来做分野的，在动力应用方面的超音波多属强力超音波，具有较强的能量，才能达成加工、洗净或切削等功能。

在信息应用方面虽然所须的能量不强，但有时为了扩展测试距离，也须加入放大驱动电路，增加放射强度。

一般而言超音波采用的放大驱动电路均为双端推挽变压器耦合方式，采用此类电路是因为电路的输出效率很高，如图7-13所示，为其放大驱动电路的基本模式，有时为了增加功率不惜使用真空管为之。

在超音波的收讯方面，唯有信息应用才有此类需要，要很正确的把信号接收后，再很忠实的把信号放大，这是收讯电路的功能，如此才能准确的分析出，我们所需要的数据。

一般常采用的收讯电路，不外是晶体放大及OPA放大，如图7-14（a）所示为晶体放大电路，所采用的是串级电压放大，另外图7-14（b）为OP放大电路，若放大增益不足也可再加接上一级做串级放大。

（四）超音波的应用

超音波的应用范围极为广泛，一般以液体（水）中力应用为最多，其次依序为固体及气体。

使用的频率范围为数拾KHz至数MHz，一般为适应不同的振荡频率也分别采用不同的材料：

在低频范围主要使用磁伸缩振动子，而在高频范围主要使用压电或电伸缩振动子，除此之外，最近高分子薄膜振动子如PVDF也被开发出来了，其使用频率可高达108Hz，如图7-15所示，为不同频率超音波的产生法及其应用领域。

1.声纳：

超音波信号在海中的衰减很少，极适合做远距离的探测，如果发射出的超音波信号为低频，其指向性很广，可做较广范围的探测。

如果发射出的超音波信号为高频，其指向性很尖锐，且分辨率也很好，可以做精密测量。

2.洗净：

超音波洗净是利用空洞现象时所产生的气泡破裂，引起的局部高温；以及，因为气泡振动所致的微视搅拌（mico-agitation）效应。

待洗物上所附着的污物，最后终将因为这些化学反应的促进与分散的作用而清除。

超音波洗净的对象制品很多，诸如：

机械工具、医学用品、家庭用品的洗净均可。

3.加工：

超音波加工的原理是以振幅10~15um，周波数15~30KHZ振动的工具，在磨料－水混合物的存在下，以一个定静压接触加工物，工具前端经由磨料冲击加工物，将之微细破碎，此种加工法又称超音波磨料加工或破碎加工，超音波加工可应用于开孔、切沟、切断、切螺纹、雕刻、抹磨等，除了一般金属的加工，此类加工亦可应用于玻璃、陶瓷之类脆材料加工，尽管超音波加工的用途很广却也有其缺点，其加工速度比传统式加工慢，且工具易磨损以致于影响到尺寸的精度，当然其设备的安装及价格也比传统式贵了许多。

4.医学手术：

如果以强力超音波对体内照射，可破坏癌、肿瘤等的细胞，使得超音波有手术刀的作用。

照射适当强度与周波数的超音波；也可治疗神经痛、风湿症等。

另外也可应用于细菌的破坏，以达到杀菌、消毒的功能。

5.流量测定：

超音波流量计基本上分为三类：

第一类是宽带噪音感测子，其原理是利用流体流动所产生的噪音来测定的，一般均采用噪音的高频率部份，利用灵敏的扩音感测子将噪音信号，转换为电子信号，若流速愈快则产生的噪音将相对的增加。

第二类及第三类则都是利用都普勒移位装置来测定的，其差异只在感测子有无插入待测的管线中，动作原理则是利用超音波信号于管线中传输时，由于流体流速的关系而造成超音波信号频率的变化，再利用此频率的变化量转换出流速。

6.金属特性测定：

由于超音波在金属内部的衰减很小，所以超音波技术可以很有效的利用在金属各种特性的测定，诸如：

金属损伤情形测定、疲劳测定、硬度试验、厚度测定等，超音波均能很精确的测定出我们所需要的结果。

其测定方式一般均采用非破坏试验，通常先对测试金属发射超音波，再观察这个超音波在金属中的变化情形，然后依此物数据来推论出金属的各项特性。

7.距离的测定：

超音波测距所使用的原理都是应用一种所谓的”山彦现象”。

也就是将超音波脉冲射向受测物体，然后计测从受测物体反射回来的反射波到达的时间，以测定距离。

此种方式的应用对象除了在空气中使用之外也可以用在固体及液体之中，代表性的应用如水深测定、水位测定或金属表面与损伤处之间距离测定。

8.电眼：

电眼就是泛指一般能够感知物体有无或物体的活动状况的一个装置，其原理则是利用发射电路发射出的超音波信号，碰到侦测物后反射或无法透射，使得接收电路无法接收到超音波信号或可以接到超音波信号，而造成准位的变化，由电眼的装置可以扩展出很多实用的装置，如防盗器、计测器、客人来访通报器等。

参、实习电路原理说明

空间搔动侦测器

如图7-16所示，为利用超音波原理制成的空间搔动侦测器，（a）图是超音波发射电路，该电路利用4个NAND闸组成一个40KHz的振荡器，电路中所使用的发射器，是对40KHz谐振的超音波发射器，当电路中S1OFF时，Pin1为低电位使U5-a输出为1，于是充电电流经R19，R18向C6充电，经过一段充电时间，使得Pin2为高电位，由于Pin1保持在低电位，所以U5-a输出仍保持高电位，所以电路不振荡。

当S1ON时，Pin1为高电位，又Pin2亦为高电位，致使U5-a

闸输出转态为低电位，于是C6开始放电，经过一段放电时间之后，Pin2电位降为低电位，U5-a输出恢复高电位，C6又重新充电，这个振荡电路的输出有两个端子，这两个输出端子的输出信号互为反相，可以增加超音波的输出振幅。

（b）图为超音波接收电路及警报电路，图中Q2及Q3组成串级放大电路，负责将40KHz接收器所接收到的40KHz信号放大，放大后的40KHz信号，经过U6组成的缓冲器，送至R25、C8整流、滤波而取出一个直流电压。

此电路在使用时可以分别将发射器及接收器安装在欲侦测空间对角，且使接收器收到发射器所发射出来的超音波信号，此时，若空间中没有异物侵入，则接收器能持续收到超音波信号。

因此经放大，整流出来的电压准位为高电位，致使比较器的输出为低电位，警报器不响。

当空间中有异物侵入时，将使接收器所接收到的超音波信号减弱或中断，此时，经放大，整流出来的电压准位将下降或变为低电位、致使比较器的输出为高电位。