超声波技术及应用(精)
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超声波原理及应用
广州市番禺奥迪威电子有限公司
目录
超声波简介 压电陶瓷简介
自然界中的超声波
超声波的类型
纵波 横波 表面波
板波
表面波
表面波主要是指沿介质表面
传递，而介质的质点沿椭圆 形轨迹振动的波。
表面波是一种瑞利波。
板波
在板厚与波长相当的薄板中传播的波。根据质点 的振动方向不同可将板波分为SH波和兰姆波。 SH波：水平偏振的横波在薄板中传播的波。薄板 中各质点的振动方向平行于板面而垂直于波的传播方 向，相当于固体介质表面中的横波。 兰姆波：兰姆波又分为对称型和非对称型。 对称型兰姆波的特点是薄板中心质点作纵向振动， 上下表面质点作椭圆运动、振动相位相反并对称于中 心。 非对称型兰姆波特点是薄板中心质点作横向振动， 上下表面质点作椭圆运动、相位相同。
超声波的强度（能流密度）
1 2 2 2 2 2 I wv v A 2 vf A 2
I 能流密度，波的强度，瓦/平方米 w 能量密度，单位焦耳/立方米 v 速度 A 振幅 f 频率
衰减系数
超声波在介质中传播会发生衰减。主要有扩散衰减、
散射衰减和吸收衰减。通常所说的衰减包括散射衰 减和吸收衰减，不包括扩散衰减。 以平面波为例，其声压衰减方程为
压电陶瓷
压电材料 压电发展历史
压电材料简介
常见的压电材料 压电材料的性能参数 压电材料应用
自然界中的压电材料——石英
压电陶瓷
高分子压电材料（压电薄膜）
压电陶瓷历史
1880年 法国的P.Curie和J. Curie兄弟在研究热电
性与晶体对称 性的关系时发现了正压电效应这一 物理现象，他们所 报导的这些晶体中就有后来广 为研究的罗息盐(NaKC4H4O6.4H2O—酒石酸钾 钠) 。 1881年 李普曼(G. Lippman)根据能量守恒和电荷 量守恒的 原理，推测逆压电效应(Converse piezoelectric effect) 的存在，这一预言很快就被 居里兄弟用实验所证实。后来 发现了磷酸二氢钾、 硫酸锂单水化合物和BaTiO3等重要压电晶体。
pr Z 2 Z1 r P0 Z 2 Z1 pt 2Z 2 t P0 Z 2 Z1
声匹配
当超声波透过两种不同的介质传播时，由于两种介质
的声阻抗不同，会在界面处形成反射，从而影响超声 波的传递。 为了提高超声波的传递效果，实践上常用的方法是在 两种介质中间增加一个匹配层。 固态的的匹配材料一般叫匹配层，液态的一般称为耦 合剂。 声匹配公式：
压电陶瓷历史
1947年 采用BaTiO3压电陶瓷制成了拾音器，这
超声波线缆测高仪
倒车雷达
超声波雾化器
超声波雾化器
塑料点焊机
频率：28KHZ 功率：300W
超声波焊接机
多频声化学发生器
超声波驱虫器
超声波圆筒式分散仪
超声马达
涂层测厚仪
美国DeFelsko公司
技术参数: 测量范围: 25-1000μm 分辨率: 2μm 精度: ±(2μm+3%的读数) 测量速率: 45个读数/秒
Px P0e
x
声压以指数形式衰减，相应的系数被称为衰减系数。
超声波的应用
测量：距离、流速、流量、厚度 探测：超声测距、安防探测、医学成像、无损探测、
水下声纳、地质勘探、管道检漏、触摸屏 雾化：加湿、盆景、园艺、消毒、 空化：炼油、乳化 清洗：珠宝、首饰、精密零件 加工：磨削、钻孔、抛光、焊接 美容：按摩、洁齿 医疗：结石破碎、医学成像、呼吸医疗 马达：相机镜头、微位移控制 生物：促进种子发芽 化学：加快酒类醇化、加快化学反应速度
合必须使用耦合剂或匹配材料。 超声波可以聚焦。ห้องสมุดไป่ตู้
超声波的产生机制
电磁振动 磁致伸缩效应 压电效应
静电引力
其它形式的机械振动
超声波效应
机械效效应：清洗、加工、抛光 声学效应：超声波探测
热效应：超声波焊接
空化效应：乳化、雾化 化学效应：
例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢；溶有氮气的水经超声处理后产生亚 硝酸；染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。
压电陶瓷历史
1916年 朗之万(Langevin)用压电石英晶体作成水
下发射和接收 换能器，这是最早的压电换能器， 并用于探测水下的物体。 1918 年 卡迪（Cady）研究了罗息盐晶体在机械 谐振频率特有的电性能，导致罗息盐电声组件问 世。 1921年 相继研制成功石英谐振器和滤波器，开创 了压电效应在稳频、计时和电子技术方面 的应用。
生物效应：加快植物种子发芽
超声波的相关术语
声场 发射角 声阻抗
声匹配
衰减系数
声场
发射角
超声波的传播具有方向性， 发射角与波长和换能片尺
寸相关。 频率越高、直径越大波束 角越小。
声阻抗
超声场中任一点的声压与该处质点振动速度之比称
为声阻抗，常用Z表示。 Z=p/u=ρcu/u=ρc 超声波在两种介质组成的界面上的反射和透射情况 与两种介质的声阻抗密切相关。
超声探伤仪
德国 Krautkramer [ K.K ] 公司
医学超声成像
线阵声纳
德国
基元数:3X96, 基阵长：48米
小结
超声波最大的特点就是可以以振动的方式传递
能量而不影响人类的听觉。 超声波的利用主要体现在三个方面，一是微幅 高频振动的利用，二是能量传递效果的利用， 三是超声信号的利用。 具体地说，就是超声马达、超声换能和超声传 感。目前的大部分超声波应用都可以归结到这 三个类别里面。
超声波的特点（1）
超声波可以在气体、液体、固体、固熔体等介质中有
效传播 超声波可以携带较多的能量 超声波的传播具有方向性 超声波在界面上会产生折射和反射，而且可能会改变 振动模式。 超声波在液体中可以产生空化效应 超声波具有多普勒效应
超声波的特点（2）
容易衰减（在液体和固体中衰减较小） 传播速度受温度影响 在两种不同介质的界面处反射强烈，在许多场
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超声波简介 压电陶瓷简介
自然界中的超声波
超声波的类型
纵波 横波 表面波
板波
表面波
表面波主要是指沿介质表面
传递，而介质的质点沿椭圆 形轨迹振动的波。
表面波是一种瑞利波。
板波
在板厚与波长相当的薄板中传播的波。根据质点 的振动方向不同可将板波分为SH波和兰姆波。 SH波：水平偏振的横波在薄板中传播的波。薄板 中各质点的振动方向平行于板面而垂直于波的传播方 向，相当于固体介质表面中的横波。 兰姆波：兰姆波又分为对称型和非对称型。 对称型兰姆波的特点是薄板中心质点作纵向振动， 上下表面质点作椭圆运动、振动相位相反并对称于中 心。 非对称型兰姆波特点是薄板中心质点作横向振动， 上下表面质点作椭圆运动、相位相同。
超声波的强度（能流密度）
1 2 2 2 2 2 I wv v A 2 vf A 2
I 能流密度，波的强度，瓦/平方米 w 能量密度，单位焦耳/立方米 v 速度 A 振幅 f 频率
衰减系数
超声波在介质中传播会发生衰减。主要有扩散衰减、
散射衰减和吸收衰减。通常所说的衰减包括散射衰 减和吸收衰减，不包括扩散衰减。 以平面波为例，其声压衰减方程为
压电陶瓷
压电材料 压电发展历史
压电材料简介
常见的压电材料 压电材料的性能参数 压电材料应用
自然界中的压电材料——石英
压电陶瓷
高分子压电材料（压电薄膜）
压电陶瓷历史
1880年 法国的P.Curie和J. Curie兄弟在研究热电
性与晶体对称 性的关系时发现了正压电效应这一 物理现象，他们所 报导的这些晶体中就有后来广 为研究的罗息盐(NaKC4H4O6.4H2O—酒石酸钾 钠) 。 1881年 李普曼(G. Lippman)根据能量守恒和电荷 量守恒的 原理，推测逆压电效应(Converse piezoelectric effect) 的存在，这一预言很快就被 居里兄弟用实验所证实。后来 发现了磷酸二氢钾、 硫酸锂单水化合物和BaTiO3等重要压电晶体。
pr Z 2 Z1 r P0 Z 2 Z1 pt 2Z 2 t P0 Z 2 Z1
声匹配
当超声波透过两种不同的介质传播时，由于两种介质
的声阻抗不同，会在界面处形成反射，从而影响超声 波的传递。 为了提高超声波的传递效果，实践上常用的方法是在 两种介质中间增加一个匹配层。 固态的的匹配材料一般叫匹配层，液态的一般称为耦 合剂。 声匹配公式：
压电陶瓷历史
1947年 采用BaTiO3压电陶瓷制成了拾音器，这
超声波线缆测高仪
倒车雷达
超声波雾化器
超声波雾化器
塑料点焊机
频率：28KHZ 功率：300W
超声波焊接机
多频声化学发生器
超声波驱虫器
超声波圆筒式分散仪
超声马达
涂层测厚仪
美国DeFelsko公司
技术参数: 测量范围: 25-1000μm 分辨率: 2μm 精度: ±(2μm+3%的读数) 测量速率: 45个读数/秒
Px P0e
x
声压以指数形式衰减，相应的系数被称为衰减系数。
超声波的应用
测量：距离、流速、流量、厚度 探测：超声测距、安防探测、医学成像、无损探测、
水下声纳、地质勘探、管道检漏、触摸屏 雾化：加湿、盆景、园艺、消毒、 空化：炼油、乳化 清洗：珠宝、首饰、精密零件 加工：磨削、钻孔、抛光、焊接 美容：按摩、洁齿 医疗：结石破碎、医学成像、呼吸医疗 马达：相机镜头、微位移控制 生物：促进种子发芽 化学：加快酒类醇化、加快化学反应速度
合必须使用耦合剂或匹配材料。 超声波可以聚焦。ห้องสมุดไป่ตู้
超声波的产生机制
电磁振动 磁致伸缩效应 压电效应
静电引力
其它形式的机械振动
超声波效应
机械效效应：清洗、加工、抛光 声学效应：超声波探测
热效应：超声波焊接
空化效应：乳化、雾化 化学效应：
例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢；溶有氮气的水经超声处理后产生亚 硝酸；染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。
压电陶瓷历史
1916年 朗之万(Langevin)用压电石英晶体作成水
下发射和接收 换能器，这是最早的压电换能器， 并用于探测水下的物体。 1918 年 卡迪（Cady）研究了罗息盐晶体在机械 谐振频率特有的电性能，导致罗息盐电声组件问 世。 1921年 相继研制成功石英谐振器和滤波器，开创 了压电效应在稳频、计时和电子技术方面 的应用。
生物效应：加快植物种子发芽
超声波的相关术语
声场 发射角 声阻抗
声匹配
衰减系数
声场
发射角
超声波的传播具有方向性， 发射角与波长和换能片尺
寸相关。 频率越高、直径越大波束 角越小。
声阻抗
超声场中任一点的声压与该处质点振动速度之比称
为声阻抗，常用Z表示。 Z=p/u=ρcu/u=ρc 超声波在两种介质组成的界面上的反射和透射情况 与两种介质的声阻抗密切相关。
超声探伤仪
德国 Krautkramer [ K.K ] 公司
医学超声成像
线阵声纳
德国
基元数:3X96, 基阵长：48米
小结
超声波最大的特点就是可以以振动的方式传递
能量而不影响人类的听觉。 超声波的利用主要体现在三个方面，一是微幅 高频振动的利用，二是能量传递效果的利用， 三是超声信号的利用。 具体地说，就是超声马达、超声换能和超声传 感。目前的大部分超声波应用都可以归结到这 三个类别里面。
超声波的特点（1）
超声波可以在气体、液体、固体、固熔体等介质中有
效传播 超声波可以携带较多的能量 超声波的传播具有方向性 超声波在界面上会产生折射和反射，而且可能会改变 振动模式。 超声波在液体中可以产生空化效应 超声波具有多普勒效应
超声波的特点（2）
容易衰减（在液体和固体中衰减较小） 传播速度受温度影响 在两种不同介质的界面处反射强烈，在许多场