3-4 超声波的传播特性
八年级物理超声波的特点
八年级物理中，超声波的特点主要包括以下几个方面：
1.方向性好：超声波几乎沿直线传播，这使得它可以在特定方向上传播而不容易散失能量。
2.穿透能力强：超声波能穿透许多电磁波不能穿透的物质，例如金属、塑料等。
3.易于获得较集中的声能：超声波的频率高，因此可以在一定的空间范围内获得较集中的声能。
4.有很强的“破碎”能力：由于超声波具有较高的能量，它可以用来破碎物体，如医学上的超声波碎
石等。
综上所述，超声波在医学、军事、工业、农业等领域有着广泛的应用，例如声呐、B超、超声波速度测定器、超声波清洗器、超声波焊接器等。
需要注意的是，虽然超声波具有许多优点，但在使用过程中也需要注意其可能产生的负面影响，如对人体和动物的影响等。
因此，在使用超声波时，需要遵守相关规定和操作规程，确保安全和有效。
超声波的基本原理及传播特点 (1)
目录摘要 (2)引言 (3)1.超声波的基本原理及传播特点 (4)1.1什么是超声波 (4)1.2超声波的基本原理 (4)1.2.1压电效应及脉冲超声波的产生 (4)1.2．2超声波波形 (5)1.3超声波传播的特点 (6)2.超声波的应用 (6)2.1超声波在制浆造纸中的应用 (7)2.2超声波传感器 (8)2.3超声波测距 (9)2.4超声波在医学诊断中的应用 (10)2.5超声波在生物技术领域的应用 (11)2.5.1用于培养液及药物的雾化 (11)2.5.2提高种子发芽率和遗传物质的转化率 (11)2.6超声波在军事中的应用 (11)3. 结束语 (12)参考文献 (12)致谢 (13)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AbstractUltrasonic is a kind of high-energy mechanical wave, this paper introduces the basic principle of ultrasonic generation mechanism and give readers a deeper understanding of ultrasound, in this paper, according to the characteristics of ultrasonic sensors, ultrasonic distance measurement, and ultrasonic in pulp papermaking, medical diagnosis, in the field of biotechnology, the application of the military in these six aspects in detail. Ultrasonic is a young discipline, with the ultrasonic technology matures, the future will be better application in the production and living.Key words: ultrasonic ；the sensor ；ranging; medical diagnosis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44.2 HZ的超声，首次实现了人类10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。
超声波
三、超声波
超声波特性：
2、超声波在液体介质中传播，能够产生巨 大的正、负交变的液压冲击波和空化作用。
这种交变的脉冲压力作用在邻近的零件 表面上会使其破坏，引起固体物质分散、破 碎效应等。
三、超声波
超声波特性： 3、超声波在介质中传播遇到不同介质的界 面会发生反射和折射现象。
能量反射的大小，决定于两种介质的波阻抗 （密度乘波速），介质的波阻抗相差越大，超声波 通过界面时能量的反射率越高。当超声波从液体或 固体传入到空气、或者是相反的过程，反射率都接 近100%。为了改善超声波在相邻介质中的传递条 件，往往在声学部件的连接处加入全损耗系统用油、 凡士林油为传递介质，以消除空气所引起的衰减， 如医学上的B超。
2） 振幅扩大棒
指数形：扩大比中等(10~20倍)，使用中 振幅比较稳定，但不易于制造；
阶梯形：扩大比较 大(>20倍)，也易于 制造；但振幅易减 小，性能不稳定， 而且在粗细过度的 地方容易产生应力 集中而导致疲劳断 裂，为此须加工过 渡圆弧。 锥形：振幅扩大比较小 (5~10倍)，但易于制造；
三、超声波
超声波特性：
4、超声波在一定条件下，会产生波的干涉 和共振现象。 为了使弹性杆处于最大振幅共振状态，应 将弹性杆设计成半波长的整数倍；而固定弹 性杆的支持点，应该选在振动过程中的波节 处，这一点不振动。
7.1 超声波加工原理
超声加工：是利用工具端面作超声振动，通过磨粒悬浮液加 工脆硬材料的一种成型方法。
vmax=251.3 mm/s
a=3233g
1、工具 2、工件 3、磨料悬浮液 4、5 变幅杆
6、换能器
7、超声波发生器
7.1 超声波加工原理
虽然每次打击下来的材料很少，但由于每秒打击的次数 多达16000次以上，所以仍有一定的加工速度。 同时，工作液受工具端面超声振动作用而产生的高频、 交变的液压冲击波和“空化”作用，促使工作液钻入被加工 材料的微裂缝处，加剧机械破坏作用。 重要概念：空化作用 由此可见，超声加工是磨粒在超声振动作用下的机械碰 撞和抛磨作用以及超声空化作用的综合结果，其中磨粒撞击 作用是主要的。
1. 简述超声波的特性
1. 简述超声波的特性
超声波是一种由高频声波组成的电磁波。
它的频率在20kHz以上，可以超出人类听觉范围。
超声波具有许多特殊的特性，如高速传播、高能量转换效率、高穿透能力、高分辨率等。
首先，超声波具有高速传播特性。
它的传播速度取决于介质的密度和弹性模量，一般在1,500m/s到1,700m/s之间。
这使得超声波在探测和测量应用中具有很大的优势。
其次，超声波具有高能量转换效率的特性。
超声波能够将电能转换为声能，并在传播过程中不断转换为其他形式的能量。
这使得超声波在高能量密度的激励下能够产生高能量输出。
第三，超声波具有高穿透能力的特性。
超声波的穿透能力取决于波的频率和介质的密度。
在低密度介质中，超声波的穿透能力较强；而在高密度介质中，超声波的穿透能力较弱。
这使得超声波在探测和成像应用中具有很大的优势。
最后，超声波具有高分辨率的特性。
超声波的分辨率取决于波的频率和波的振幅。
超声波的频率越高，它的分辨率就越高。
同时，超声波的振幅越大，它的分辨率也就越高。
这使得超声波在成像应用中能够提供清晰的图像。
总之，超声波具有高速传播、高能量转换效率、高穿透能力和高分辨率等特性，这使得它在许多应用领域中具有广泛的应用前景。
超声波在医学成像、工业探测、测量和检测等领域都有广泛的应用。
超声波特性
1.声速：超声波在不同介质中传输速度是不同的。
气体350m/s左右，液体中1500m/s左右；固体中5000m/s左右。
2.声衰减在空气中，超声波除了因扩散引起衰减外，由于空气中的粘滞性、热传导以及分子的吸收也会引起衰减。
在20℃时的空气中，衰减系数在20℃时的水中，衰减系数如换算成位移衰减到I/e的距离x（1/ɑ）,则空气中x（m）=则水中x（m）=从表中可以看出：空气可水相比，其声衰减随频率的增大而急剧增加，即空气（各种气体均如此）不利于高频声传播，衰减很快，如500KHZ以上。
所以液体中超声一般选择1-5MHz，而气体中超声一般选择50-300KHz。
当然选择频率时还应考虑超声换能器之间的距离（声程）以及测量精度等要求。
3.特性阻抗与声反射、声折射、声散射特性阻抗由介质的密度和声速之积确定。
气体、液体和固体的特性阻抗之比约为1:3000:80000，差异很大。
超声从一种介质进入另一种介质的能力取决于特性阻抗。
流体中只存在纵波，纵波从流体向固体倾斜射入，在固体中除纵波外，还存在横波。
高频率的声波，如2MHZ，在照射到含有气泡和固体颗粒时液体时，会产生声散射。
4.超声换能器的指向性式中：--------指向性半角；--------波长；--------圆型辐射面直径气体介质中换能器的角一般取3-7度；液体介质中换能器的角一般取2-10度；可以上换能器的指向性均要求尖锐，以使能量较为集中。
5.温度特性在水中中，超声传播速度随温度升高而增大，但在90℃之后又开始减小。
1. 压电陶瓷片PZT用于测量液体流量的超声换能器，工作频率在0.5-5MHz.PZT压电片（圆形、半圆形、方形、矩形）是常用的形式，它的频率由下公式确定式中：-----------频率常数，PZT均为2200；-----------厚度（应远小于横向尺寸）。
1MHz的PZT圆片，直径10-12mm，厚度约2mm；1.5MHz的的PZT圆片，直径15mm左右，厚度约1.3mm；2. 换能器的基本结构压电圆片换能器一般结构有一下三种：液体换能器中，若在前后端设置匹配层，可有效提高电声转换效率和扩展频带宽度。
超声波特性
2．1 超声波的定义波是由某一点开始的扰动所引起的，并按预定的方式传播或传输到其他点上。
声波是一种弹性机械波。
人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反应，能引起人们听觉的机械波频率在20Hz~20KHz，超声波是频率大于20KHz的机械波。
在超声波测距系统中，用脉冲激励超声波探头的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动在与其接触的介质中传播，便形成了超声波。
2．2超声波的物理特性当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质，称为反射波；另一部分能量透射过分界面，在另一个介质内部继续传播，称为折射波，如图2．1所示，图中L为入射波，S₁为反射横波，L₁为反射纵波，L₂为折射纵波，S₂为折射横波。
S₂图2．1超声波的反射、折射及其波形转换这些物理现象均遵守反射定律、折射定律。
除了有纵波的反射波折射波以外，还有横波的反射和折射。
因为声波是借助于传播介质中的质点运动而传播的，其传播方向与其振动方向一致，所以空气中的声波属于纵向振动的弹性机械波。
在理想介质中，超声波的波动方程描述方法与电磁波是类似的。
描述简谐声波向X 正方向传播的质点位移运动可表示为：()cos()A A x t kx ω=+ （）0()ax A x A e -= （）式中，()A x 为振幅即质点的位移，0A 为常数，ω为角频率，t 为时间，x 为传播距离，2/k πλ=为波数，λ为波长，α为衰减系数。
衰减系数与声波所在介质和频率关系：2af α= （）式(2．3)中，a 为介质常数，f 为振动频率。
2．2．1超声波的衰减从理论上讲，超声波衰减主要有三个方面：(1) 由声速扩展引起的衰减在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面声波的声速不断扩展增大，因此单位面积上的声压随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减。
(2) 由散射引起的衰减由于实际材料不可能是绝对均匀的，例如材料中外来杂质金属中的第二相析出、晶粒的任意取向等均会导致整个材料声特性阻抗不均，从而引起声的散射。
超声探伤知识点总结
超声探伤知识点总结一、超声波传播和检测原理超声探伤是一种利用超声波来检测材料内部缺陷的一种非破坏性检测方法。
它利用超声波在材料中的传播特性和反射特性来发现和确定材料内部的缺陷，如裂纹、气孔、夹杂等。
超声波是一种机械波，它通过材料中的分子间的弹性传递能量，具有穿透性和反射性。
当超声波遇到材料内部的缺陷时，会发生反射、折射和散射现象，根据这些现象可以确定缺陷的位置、形状、大小等信息。
二、超声探伤设备超声探伤设备主要包括超声波发射装置、接收装置、信号处理装置和显示装置。
超声波发射装置用于产生超声波信号，一般采用压电晶体或磁致伸缩换能器。
接收装置用于接收超声波信号并将其转化为电信号，一般也采用压电晶体或磁致伸缩换能器。
信号处理装置用于放大、滤波、延迟控制等对接收到的信号进行处理，以便于分析和显示。
显示装置用于显示探测到的缺陷和材料的内部结构，一般采用示波器、闪存图像仪等。
三、超声波的传播特性超声波在材料中的传播特性受到材料的声速、密度和声衰减系数的影响。
在各种材料中，声速越大，密度越小，声衰减系数越小，超声波的穿透性越好。
另外，材料的晶粒结构、组织、应力等因素也会对超声波的传播特性产生影响。
因此，在进行超声探伤时，需要根据被测材料的性质和要检测的缺陷类型来选择合适的超声波检测方法和参数。
四、超声探伤方法根据超声波的传播方式，超声探伤方法可以分为纵波检测和横波检测。
纵波检测是指超声波在材料中的传播方向和振动方向一致的检测方式，适用于发现和定位表面和近表面的缺陷。
横波检测是指超声波在材料中的传播方向和振动方向垂直的检测方式，适用于发现和定位材料内部的缺陷。
此外，超声探伤方法还包括脉冲回波法、多普勒效应法、相控阵法、声照相法等多种技术方法，可以根据具体的应用需求和条件选择合适的方法。
五、超声探伤参数在进行超声探伤时，需要确定合适的超声探伤参数，包括超声波频率、脉冲宽度、发射能量、探头直径等。
这些参数的选择应根据被测材料的性质和要检测的缺陷类型来确定。
第3节 超声波在介质中的传播特性
气泡的振动也会产生相应的谐波，且这种谐波比组 织谐波强的多。
32
3. 反射增强 声波在传播过程中会出现反射增强现象。由
于衰减，要对不同深度的回波信号进行不同的放 大，目的是使同种均匀介质在不同深度回波信号 的强度基本相同。图7-11。
状态。
rp
Z2 Z2
Z1 Z1
8
2.
声强反射系数rI
定义：反射声强与入射声强之比：rI
因为
p2 I
Z c
Ir Ii
Z
所以
I
pr2 Z1
pi2
pr pi
2
2 p
Z1
9
3. 全反射 超声波的折射定律与光波的折射定律相同：
sini c1 sint c2
体软组织中，蛋白质成分的张驰过程是造成驰豫吸收的主要 因素。
吸收与声波的频率关系甚大，介质对声波的吸收有 影响。
24
2. 介质吸收衰减规律
强度的减少量-dI，根据实验： I0
dI
I
dI Idx
x0
x
dI Idx
dI I
dx
ln I x
I0 I ex I0
但在不同介质传播时，声波在液体介质中衰减 较小，而在软组织中衰减较大，而每一束声波放 大处理相同。当使软组织反射信号均匀一致，则 液体介质中传播的声波回波信号强度比入射波信 号强度还大，从而形成反射增强。
33
五、声束通过介质薄层的特征
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3
波动学概念回顾——媒质 媒质(medium) ：弹性媒质(elastic medium)
¾弹性模量(elastic modulus)：
指当有力施加于物体或物质时，其弹性变形 （非永久变形）趋势的数学描述。
¾剪切模量（横波可传播于固体） ¾体积模量（纵波可传播于固体、液体、气体）
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波动学概念回顾——波形1 传播形式：横波、纵波 ¾横波(transverse wave) 质点振动方向与波的传播方向垂直。 ¾纵波(longitudinal wave)
特点：传播方向性强，穿透能力强。 应用：您能想到哪些例子
超声声场
超声换能器 Ultrasound Transducer
10
超声波的表示方法
连续波（正弦等幅波）
位移： a = Asin(ωt)
速度： v =a' =ωAcos(ωt) =vm cos(ωt) 加速度： b =v' =a'' =−ω2Asin(ωt) =−Bsin(ωt)
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人体组织中的声速
超声波的基础知识—频率、波长 频率由振源（换能器参数）决定。 ¾频率越高，方向性越强，能量越高。 ¾频率则决定了可成像的组织深度（衰减的原
因）。 波长：λ＝ c/f ¾波长决定了成像的纵向极限分辨率。
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超声波的基础知识—频率
超声诊断范围为1M～100MHz 。
9 按频率分类： 低频超声——1~2.75MHz 中频（常规用）超声——3~10MHz 高频超声——12~20MHz 超高频超声——大于20MHz
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波动学概念回顾——波源
波源(acoustic source)：波阵面、波线
¾波阵面(wave front)
同相位振动的质பைடு நூலகம்所联成的轨迹曲面。
¾波线(wave ray)
传播方向与波阵面垂直的线。
¾平面波(plane wave)、球面波(spherical wave)
柱面波(cylindrical wave)
质点振动方向与波的传播方向在同一直线。
4
波动学概念回顾——波形2
波动学概念回顾——波形3
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5
波动学概念回顾——传播特性 ¾惠更斯原理：媒质中振动的质点可看作新振源 ¾叠加(addition)、干涉(interference) ¾反射(reflection)与折射(refraction), ¾衍射(diffraction) ¾散射(scattering) ¾多普勒(doppler)
超声波的产生
压电效应是超声诊断应用的基础。 9 压电效应——泛指晶体处于弹性介质
中所具有的一种声-电可逆特性，有正 压电效应和逆压电效应之分。
11
正压电效应
在某些晶体的一定方向上施加压力或拉力 时，在晶体的某些面上就出现了异名电荷。
机械能
电能
逆压电效应
电场的作用，引起材料内部正负电荷重心 发生相对位移，使材料内部产生应力导致 宏观上的几何形变 。
超声波的基础知识—频率、波长 9 频率和波长在超声成像中是两个极为重
要的参数，波长决定了成像的极限分辨 率，而频率则决定了可成像的组织深度。
取超声波在人体组织中平均声速c＝1540m/s
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超声波的基础知识—波长与纵向分辨率关系
18
超声波
2
波动学概念回顾——波动基本参数
¾频率(frequency), 用f表示 ¾周期(period), 用T表示,其中T = 1/f ¾波长(wavelength), 用λ表示 ¾波速(wave velocity), 用ν或C表示,其中
ν=λf 跟媒质的弹性模量和密度有关。 ¾振幅(amplitude), 用A表示
超声波的传播特性
是理解和研究超声成像技术的基础
内容概要 >超声波的定义和基本概念 >声特性阻抗、反射、折射、透射、散射的概念 >超声声场 >超声波的衰减 >超声波对物质的作用 >超声波安全剂量
【上次课的内容纲要】
课程的教学要求和建议 超声诊断仪的发展历程 超声诊断仪的临床应用
超声诊断仪的产品介绍
1
超声诊断仪的发展历程
声波特性 基础研究
压电效应、超 声换能器发明
简单的成像模式（声纳、A超）
二维成像模式（M超、B超）
多普勒、三维成像
谐波成像、弹性成像等其他模式
波动学概念回顾
机械波(mechanical wave)
¾频率、周期、波长、波速、振幅 ¾波源(acoustic source)机械振动—>媒质(medium) ¾传播振动形式和能量 ¾传播特性
声速表达方式
c= K ρ
—— 介质密度 K —— 介质的体积弹性模量
纵波时为杨氏模量Y 横波时为切变模量G
14
影响声速的常见因素 ¾在液体与空气介质中，由于介质的弹性系
数与温度有关，因此声速也与温度有关 。
蒸馏水在标准大气压下声速与温度变化曲线
人体组织中的声速 声速一般不随频率而变，即没有频散（色 散）现象 。 在超声诊断的频段中，人体组织的超声速 度是与频率无关的，而且软组织中的声速 都很接近，可按1540m/s估算。
电能
机械能
12
超声诊断用的超声波
连续波——正弦等幅波 脉冲波——阻尼衰减振荡波
超声波的基础知识
¾声速与声阻抗率 ¾频率 ¾波长 ¾声压 ¾声强 ¾衰减 ¾声场 ¾超声波的作用效应
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超声波的基础知识—声速 ¾声速
声波在介质中单位时间内传播的距离 , 称为声 速。用符号 c 表示 , 单位为 m ／ s( 米／秒 ) 。 人体脏器中 1540米/秒，频率改变声速不变。 ¾声速与介质的弹性模量、密度和波动类型有关。
反射回波
处理系统
距离 显示
您会关心哪些参数
8
超声波定义 振动频率大于20kHz的声波 属于机械波，由机械振动引起
次声波（Infrasound）
特点：不易衰减，容易衍射(diffract)；使人头 晕、恶心。 应用：预测自然灾害，军事武器， α节律（8～13Hz）。
9
超声波（Ultrasound）
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干涉现象
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6
多普勒效应
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超声波测距装置
超声波测距模块
超声传感器 间歇发射超声脉冲
每隔0.1秒发射8个 40kHz的方波脉冲
超声传感器 接收超声回波信号
7
超声波测距装置的原理
测量 对象
超声脉冲 超声
探头
反射回波
处理系统
距离 显示
如何求得距离信息
超声波测距装置的原理
测量 对象
超声脉冲 超声
探头