超声波的原理及其应用

超声波的原理及其应用

目 录

1. 绪论.......................................................................................25

2.超声波的基本原理.....................................................................26

2.1什么是超声波.................................................................................................................... ..26

2.2波的传播............................................................................................................................ ..26

2.2.1平面简谐波方程............................................................................................................. ..27

2.2.2平面简谐波波动方程..................................................................................................... ..27

3.1超声波传感器.................................................................................................................... ..33

3.2超声波测距........................................................................................................................ ..34

3.2.1超声波测距的原理......................................................................................................... ..34

3.2.2超声波测距误差分析..................................................................................................... ..35

3.2.3超声波测液位................................................................................................................. ..36

3.3超声波测量流量................................................................................................................ ..36

3.4超声波提取技术................................................................................................................ ..39

3.5超声清洗............................................................................................................................ ..40

3.5.1超声清洗的原理............................................................................................................. ..40

3.5.2影响清洗的因素............................................................................................................. ..41

超声波的原理及其应用

1. 绪论

早在 1830 年，F·Savart 曾用齿轮，第一次产生 HZ 的超声，

1876 年 F·Galton 用气哨产生 Hz 的超声。1912 年 4 月 10 日，泰

坦尼克号触冰山沉没，引起科学界注意，希望可以探测到水下的冰山。直

到第一次世界大战中，德国大量使用潜艇，击沉了协约国大量舰船，探测

潜艇的任务又提到科学家的面前

[1]

时已出现的功率很大的放大器和石英压电晶体结合起来，能向水下发射几

十千赫兹的超声波，成功的将超声波应用到实际中。

始研究了声表面波换能器。进入 80 年代，我国超声学面向实际应用。B 超

医疗开始投入生产；超声加工、超声研磨、超声焊接、超声清洗、超声催

化与滤矿及超声技术育种等逐步开始形成一定规模的产业。压电复合换能

器研制成功，窄脉冲短余振探头问世；PVDF 新颖压电薄膜换能器及超声显

微镜获得实用；高频压电材料 LiNbO3 研制成功和走向实用

来，在中国科学院声学研究所与南京大学声学研究所相继批准建立了国家

级重点实验室。总之，我国的超声学研究过的巨大的发展，有些方面已达

到国际先进水平。

超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的、各行各业都

类应用服务的。

超声加工和处理技术是利用高强度的超声波来改变物质的性质和状态

的技术。超声钻孔、清洗、焊接、粉碎、凝聚、萃取、催化等都是这类技

术中的典型应用。

超声检测与控制技术是利用较弱的超声波来进行各种检验和测量，必

要时可以进行自动控制的技术。在检验技术方面，最典型的应用就是超声

探伤和超声检漏等。在测量技术方面，媒质的许多非声学特性和媒质的某

些状态参量都可以用超声方法来加以测定。

而不论是超声加工处理技术还是超声检测与控制技术，都要涉及到超

声波的产生和检收，这就是所谓的超声换能技术。但不论是超声波的应用

的应用文中也给以总结，概括。

2.超声波的基本原理

超声波的基本原理是其应用的基础，只有在了解其原理的基础上才能

更好的应用超声波，促进超声波的发展，下面就对其原理作简要介绍。

2.1 什么是超声波

所谓超声波，是指人耳听不见的声波。正常人的听觉可以听到 20 赫兹

（Hz）-20 千赫兹（kHz）的声波，低于 20 赫兹的声波称为次声波或亚声

波，超过 20 千赫兹的声波称为超声波

。超声波是声波大家族中的一员，

和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波

的方式在弹性介质内传播，是一种能量和动量的传播形式，其不同点是超

声波。通常有如下三种波形

纵波波形：当媒质中各体元振动的方向与波传播的方向平行时，此超

声波为纵波波形。任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。

横波波形：当媒质中各体元振动的方向与波传播的方向垂直时，此种

超声波为横波波形。由于媒质除了能承受体积变形外，还能承受切变变形，

因此，当其有剪切应力交替作用于媒质时均能产生横波。横波只能在固体

介质中传播。

表面波波形：是沿着两种媒质的界面传播的具有纵波和横波的双重性

质的波。表面波可以看成是由平行于表面的纵波和垂直于表面的横波合成,

平面波传播时，若媒质中体元均按余弦（或正弦）规律运动，叫平面

简谐波。这是最基本的波动形式，一些复杂的波可视为平面简谐波的叠加。

平面简谐波方程定量的描述出每个体元的运动学状态，解决平面简谐

波的运动学问题。

设平面简谐波沿 x 轴传播，y 为体元距平衡位置的位移，则：

式中，A 为振幅， 为圆频率,取决于波源频率 。 ,常称

为波数。

2.2.2 平面简谐波波动方程