超聲波基礎(chǔ)理論日期:}演講人：目錄01超聲波的基本概念02超聲波的傳播特性03超聲波的產(chǎn)生與檢測(cè)04超聲波的主要應(yīng)用領(lǐng)域05超聲波的局限性與挑戰(zhàn)超聲波的基本概念01定義超聲波是一種頻率高于20000Hz的聲波，具有方向性好、穿透力強(qiáng)、能量密度高等特點(diǎn)。物理特性超聲波在傳播過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生反射、折射、散射、衰減等現(xiàn)象，同時(shí)可產(chǎn)生熱效應(yīng)、空化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)等生物效應(yīng)。定義與物理特性超聲波的波長(zhǎng)與頻率成反比，頻率越高，波長(zhǎng)越短；反之，頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)。波長(zhǎng)與頻率超聲波可在固體、液體、氣體等多種介質(zhì)中傳播，但傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性有關(guān)。在固體中傳播速度最快，液體中次之，氣體中最慢。傳播介質(zhì)波長(zhǎng)、頻率與傳播介質(zhì)與可聽(tīng)聲波對(duì)比超聲波的頻率高于人耳可聽(tīng)范圍，因此無(wú)法被人耳直接聽(tīng)到。但超聲波具有更強(qiáng)的穿透力和方向性，可用于測(cè)距、測(cè)速、檢測(cè)等領(lǐng)域。與次聲波對(duì)比次聲波的頻率低于20Hz，同樣無(wú)法被人耳聽(tīng)到。但次聲波在傳播過(guò)程中衰減較小，能夠傳播較遠(yuǎn)的距離，常用于地震、海嘯等自然災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和預(yù)警。同時(shí)，次聲波還可能對(duì)人體產(chǎn)生不良影響，如引起人體共振、影響神經(jīng)系統(tǒng)等。超聲波與可聽(tīng)聲波、次聲波的對(duì)比超聲波的傳播特性02空氣超聲波在水中傳播速度較快，衰減較小，傳播距離較遠(yuǎn)，且易于實(shí)現(xiàn)聲束的聚焦和掃描，是醫(yī)學(xué)超聲診斷和水下探測(cè)等領(lǐng)域中常用的傳播介質(zhì)。水固體超聲波在固體中的傳播速度最快，衰減最小，傳播距離最遠(yuǎn)，且易于在固體材料中傳播，因此常用于檢測(cè)固體材料的內(nèi)部缺陷和進(jìn)行材料厚度測(cè)量等。超聲波在空氣中的傳播速度較慢，衰減較大，遇到界面時(shí)易產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，常用于檢測(cè)空氣中的氣密性和物體表面的缺陷。在不同介質(zhì)中的傳播差異（空氣、水、固體）散射、衰減與能量損耗散射超聲波遇到不同介質(zhì)界面或物體時(shí)，會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象，導(dǎo)致聲束擴(kuò)散和能量損失，影響超聲波的傳播距離和檢測(cè)效果。衰減超聲波在傳播過(guò)程中，由于聲束的擴(kuò)散、吸收和散射等原因，會(huì)逐漸減弱，稱為衰減。衰減程度與超聲波的頻率、傳播距離和傳播介質(zhì)等因素有關(guān)。能量損耗超聲波在傳播過(guò)程中，由于散射、衰減和反射等原因，會(huì)損失一定的能量，因此在進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)，需要充分考慮能量損耗的影響，選擇合適的檢測(cè)方法和參數(shù)。各向異性聲能的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)聲束聚焦超聲波在各向異性介質(zhì)中傳播時(shí)，可以聚焦成較窄的聲束，從而提高檢測(cè)精度和分辨率。聲束偏轉(zhuǎn)聲速測(cè)量超聲波在各向異性介質(zhì)中傳播時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整探頭角度和頻率等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)聲束的偏轉(zhuǎn)和掃描，從而擴(kuò)大檢測(cè)范圍和靈活性。超聲波在各向異性介質(zhì)中的傳播速度不同，可以通過(guò)測(cè)量不同方向上的聲速差異，確定介質(zhì)的各向異性特性，為材料評(píng)價(jià)和醫(yī)學(xué)診斷提供依據(jù)。123超聲波的產(chǎn)生與檢測(cè)03壓電效應(yīng)是超聲波產(chǎn)生和檢測(cè)的基礎(chǔ)，當(dāng)某些晶體或陶瓷材料在受到外力作用時(shí)，會(huì)發(fā)生形變，從而產(chǎn)生電場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)換能器是超聲波設(shè)備中的重要元件，負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能（聲波）或?qū)C(jī)械能（聲波）轉(zhuǎn)換為電能。在超聲波檢測(cè)中，發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波，而接收換能器則將超聲波轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行信號(hào)處理。換能器原理壓電效應(yīng)與換能器原理常見(jiàn)超聲波發(fā)生器技術(shù)共振技術(shù)利用材料的共振特性，通過(guò)適當(dāng)?shù)念l率驅(qū)動(dòng)換能器，使其產(chǎn)生共振，從而增強(qiáng)超聲波的發(fā)射功率和效率。030201頻率調(diào)制技術(shù)通過(guò)調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器的頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波的振幅、波長(zhǎng)等特性的調(diào)制，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求。振幅調(diào)制技術(shù)通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)生器輸出的振幅，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波能量的控制，提高檢測(cè)的靈敏度和分辨率。接收到的超聲波信號(hào)通常比較微弱，需要進(jìn)行放大和濾波處理，以提高信號(hào)的抗干擾能力和信噪比。接收與信號(hào)處理技術(shù)信號(hào)放大與濾波將接收到的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，需要進(jìn)行進(jìn)一步的處理，如解調(diào)、濾波、頻譜分析等，以提取有用的信息。信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理對(duì)于復(fù)雜的超聲波信號(hào)，還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和成像，以便更直觀地分析檢測(cè)結(jié)果，如超聲成像技術(shù)中的波束形成、掃描轉(zhuǎn)換等。數(shù)據(jù)處理與成像超聲波的主要應(yīng)用領(lǐng)域04工業(yè)應(yīng)用（清洗、探傷、測(cè)距）清洗利用超聲波在液體中的空化作用、加速度作用及直進(jìn)流作用對(duì)液體和污物直接、間接的作用，使污物層被分散、乳化、剝離而達(dá)到清洗目的。探傷超聲波探傷是利用超聲能穿透金屬材料的特點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量超聲波在材料中傳播的時(shí)間、方向、速度等參數(shù)，來(lái)檢測(cè)材料內(nèi)部是否存在缺陷或異常。測(cè)距超聲波測(cè)距是通過(guò)測(cè)量超聲波在空氣中的傳播速度和時(shí)間來(lái)計(jì)算被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離。成像超聲波成像技術(shù)利用超聲波在人體內(nèi)的反射和傳播特性，將人體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)以圖像形式顯示出來(lái)，如B超等。醫(yī)學(xué)應(yīng)用（成像、碎石、殺菌消毒）碎石超聲波碎石是利用高強(qiáng)度聚焦超聲波產(chǎn)生的能量將結(jié)石粉碎，然后通過(guò)尿液排出體外。殺菌消毒超聲波能破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁和病毒表面的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到殺菌消毒的目的。超聲波焊接超聲波焊接是利用超聲波振動(dòng)能量使兩個(gè)接觸面產(chǎn)生摩擦熱，從而實(shí)現(xiàn)焊接的目的，具有速度快、強(qiáng)度高、密封性好等優(yōu)點(diǎn)。驅(qū)蟲設(shè)備利用超聲波的振動(dòng)和波特性驅(qū)趕害蟲，如超聲波驅(qū)蚊器、超聲波驅(qū)鼠器等。新興技術(shù)（超聲波焊接、驅(qū)蟲設(shè)備）超聲波的局限性與挑戰(zhàn)05介質(zhì)衰減超聲波只能在介質(zhì)中傳播，無(wú)法在真空中傳播，限制了其應(yīng)用范圍。傳播媒介障礙物阻擋超聲波遇到障礙物時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射、折射等現(xiàn)象，影響傳播效果。超聲波在傳播過(guò)程中會(huì)因介質(zhì)的吸收和散射而衰減，限制了其傳播距離。傳播距離的限制因素高頻率帶來(lái)的技術(shù)難點(diǎn)穿透力與分辨率的矛盾頻率越高，穿透力越弱，但分辨率越高，難以兼顧兩者。聚焦與擴(kuò)散晶片尺寸與頻率的關(guān)系高頻超聲波難以聚焦，且易擴(kuò)散，給探測(cè)和成像帶來(lái)困難。高頻超聲波需要更小的晶片來(lái)產(chǎn)生和接收，增加了技術(shù)難度和成本。12