超声波在不同材料中的声速

超声波声速与频率关系

超声波是一种频率高于人耳能听到的声音的机械波，其频率通常大于20kHz。超声波在医学、工业、军事等领域有广泛应用，其中最常见的应用是医学领域中的超声诊断。

超声波的传播速度与介质密度和弹性有关。在同一介质中，超声波的传播速度与频率成正比。这是因为在同一介质中，高频率的超声波具有更短的波长，因此需要更短时间才能完成一个周期振动，从而传播速度更快。

具体来说，在理想情况下，超声波在同一介质中的传播速度（v）与频率（f）之间存在以下关系：

v = f × λ

其中λ表示超声波在介质中的波长。由于光速是一个恒定值，因此当频率增加时，波长会缩短。因此，在同一介质中，高频率的超声波具有更短的波长。

另外需要注意的是，在不同介质之间，超声波传播速度和频率之间并不总是成正比关系。例如，在不同组织（如骨骼、肌肉和脂肪）中，

超声波传播速度和频率之间的关系是复杂的，并且需要考虑介质的密度、弹性、温度等因素。

总之，超声波的传播速度与频率之间存在正比关系。在同一介质中，高频率的超声波具有更短的波长，因此需要更短时间才能完成一个周期振动，从而传播速度更快。在不同介质之间，超声波传播速度和频率之间的关系是复杂的，并且需要考虑介质的密度、弹性、温度等因素。

超声波具有较强的穿透性

临床上常用诊断频率： 2~10MHz
二、超声波的基本物理参数
频率( f): 声波每秒振动次数，Hz。波长(λ): 声波在一个振动周期内所通过的距离， mm 声速(C): 声波在介质中每秒传播的距离，m/s
Ｃ=f ×λ
λ
人体软组织声速平均为1540m/s
C（m/s）
二、超声的基本物理参数
C=f入，因此： ①在同一介质中声速基本相同，波长与频率成反比, f越大，入越小。 ②不同介质中声速不同：
声轴线上的弛张期峰值负压除以声脉冲频宽的中心频率平方根值。) （3）诊断用超声可引起细胞畸变，染色体、组织学影响。（4）HIFU：声功率为KW/cm2 –热凝固、空化—破坏，用于肿瘤消融与机械震荡碎石治疗。（5）超声在物理治疗学应用广泛（W级）
3
四、人体组织对入射超声的作用
脉冲式超声通常可分为4种超声声强： ①空间平均时间平均声强； ②空间平均时间峰值声强； ③空间峰值时间平均声强；
4、超声波的吸收与衰减
声衰减定义：
超声波在传播过程中，能量随传播距离的增加而减少的现象称为超声衰减。
衰减量=频率×深度频率高，衰减重原因：吸收损耗、声束扩散、散射和折射
超声衰减的程度与声波的频率、传播距离、介质的结构特性和温度等因素有关。
多；
故：1、在同一介质中，频率越高，衰减越

超声波声速与频率关系

超声波是一种机械波，其传播速度与介质的密度和弹性有关。在理想条件下，声速与频率之间存在一定的关系。本文将探讨超声波声速与频率之间的关系，并探讨其在实际应用中的意义。

根据声波的基本原理，声速与频率之间存在一定的关系。一般情况下，声速与频率成正比，即声速越大，频率也会越大。这是因为在相同介质中，声波的传播速度与声波频率成正比。当声速增加时，声波振动的频率也会随之增加。

在超声波领域，声速与频率的关系尤为重要。超声波是一种频率高于人类听觉范围的声波，通常在20kHz以上。超声波在医学、工业和科学领域有着广泛的应用，例如超声波成像、超声波清洗和超声波焊接等。

在超声波成像中，声速与频率的关系对图像质量有着重要影响。在超声波成像过程中，声波在不同组织中传播的速度不同，从而形成声阻抗不连续的边界。通过测量声波的传播时间和频率，可以确定不同组织的位置和形状，从而实现对人体组织的成像。

在超声波清洗和超声波焊接中，声速与频率的关系也起着关键作用。通过调节声速和频率，可以实现对清洗液和焊接材料的震荡和振动，从而提高清洁效果和焊接质量。

总的来说，超声波声速与频率之间存在一定的关系，对超声波技术的应用具有重要意义。通过深入研究声速与频率的关系，可以更好地理解超声波的传播规律，从而推动超声波技术的发展和应用。希望本文能够对读者有所启发，增进对超声波技术的理解和认识。

关于超声波的波长

超声波的波长是指超声波在介质中传播时，一个完整周期的长度。它可以通过以下公式计算：

波长（λ）= 速度（v）/频率（f）

其中，速度是超声波在介质中传播的速度，频率是超声波的振动次数。根据具体的介质和频率，超声波的波长可以在几微米到几毫米之间。

例如，对于在空气中传播的超声波的声速约为343米/秒，若频率为100kHz，则波长为：

波长（λ）= 343 / (100*10^3) = 3.43毫米。

需要注意的是，波长会随着介质的改变而改变，因为超声波的速度在不同的介质中可能有所差异。此外，超声波的波长越小，其在介质中的传播能力越强。

常用材料温度-横波声速表、电磁超声测厚仪测量材料温度-声速曲线方法、确定度评定

GB/T ×××××—××××

附录 A

（资料性附录）

常用材料温度-横波声速表

表A.1至A.9分别给出了常用材料的部分温度下的横波声速，可作为校准或实际测量的参考值进行使用。

表A.1 20钢温度-声速表

声速单位：m/s

表A.2 15CrMo温度-声速表

表A.3 P91温度-声速表

表A.4 TP347H温度-声速表

声速单位：m/s

表A.5 430F温度-声速表

GB/T ×××××—××××

表A.6 12CrMo温度-声速表

声速单位：m/s

表A.7 Cr17Mo2Ti温度-声速表

表A.8 Cr25Mo3Ti温度-声速表

表A.9 Al温度-声速表

声速单位：m/s

GB/T ×××××—××××

附录 B

（资料性附录）

电磁超声测厚仪测量材料温度-声速曲线的方法

B.1 适用范围

规定了采用A型脉冲反射式电磁超声设备器材测量获得材料温度-声速关系的方法。

对于确定的材料，适用温度范围为能在材料上采用电磁超声设备器材有效激发并接收到超声波的温度范围。如铁磁性材料在小于其居里温度的范围内。

测量中温度范围上限和下限宜为材料使用温度上限和下限。

B.2 方法原理

使用标准试块进行测量，在厚度已知的前提下，通过不同温度下接收的原始信号得到相邻回波间的时间差，并计算获得该温度下的声速值。

必要时需考虑标准试块热膨胀造成的厚度变化对测量的影响，对不同温度下的声速值进行修正，得到最终的材料温度-声速曲线。

为获得较准确的声速，一般需进行10 次以上测量，求解平均值，并按B.5评估测量不确定度。

图B.1 加热炉式材料温度-声速曲线电磁超声测量系统示意图

超声波在不同材料中的声速

超声波是指频率高于20,000Hz的声波。这种声波在许多领域中被广

泛应用，如医学、工业和科学研究。了解不同材料中的超声波速度对于这

些领域的应用至关重要。本文将介绍超声波在不同材料中的声速。

超声波在传播过程中的速度取决于介质的物理特性，如密度、弹性模

量和声阻抗。下面将重点介绍一些常见材料的超声波速度。

1.空气：在常温和压力下，空气中的超声波速度约为343m/s。这是

由于空气是一种气体，其分子相对较远，传播速度较低。

2.水：水是一种常见的介质，被广泛用于超声波传播的媒介。在室温下，水中的超声波速度约为1482m/s。与空气相比，水分子之间的相互作

用更加紧密，传播速度更高。

3.声音：声音在空气中的速度与超声波类似，约为343m/s。声音是

一种低频声波，人耳可感知的频率范围为20Hz至20,000Hz。

4.金属：金属是一种具有良好导电性和热导性的固体材料。在金属中，声波速度非常高，一般在5000m/s至6000m/s之间。这是由于金属中的离

子和电子之间的相互作用非常紧密。

5.岩石：岩石是一种由矿物质构成的坚硬固体材料。岩石的超声波速

度取决于其组成成分和结构。一般情况下，岩石中的超声波速度在

2000m/s至6000m/s之间。

6.人体组织：超声波在医学领域得到广泛应用，主要用于诊断和治疗。人体组织是一种复杂的介质，其中不同组织的超声波速度有所差异。一般

而言，在人体中，骨骼和牙齿中的超声波速度较高，大约为3500m/s。而

软组织如肌肉和脂肪的超声波速度较低，一般在1500m/s至1800m/s之间。

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

超声声速的测量

超声声速的测量是一种常见的非破坏性测试方法，用于

确定材料中超声波的传播速度。在工程和科学领域中，超声声速的测量被广泛应用于材料的质量控制、缺陷检测和结构健康监测等方面。

首先，我们来了解一下超声波的产生和传播。超声波是

指频率高于人耳能听到的最高频率（20kHz）的声波，通常位

于20kHz至1GHz之间。超声波可以通过压电晶体电声转换器

产生，压电晶体具有压电效应，即当施加电压或力时，晶体会发生形变。晶体振动的频率和声波频率相同，从而产生超声波。

在进行超声声速测量之前，需要选择一种合适的超声传

感器。目前市场上常见的超声传感器有探头式传感器和传感器阵列。探头式传感器通常由单个发射/接收元件组成，适用于

简单的物体测试。传感器阵列由多个发射/接收元件组成，能

够实现多通道扫描，适用于复杂结构的测试。

测量超声声速的常见方法有脉冲回波法和相位比较法。

下面我们来详细介绍这两种方法。

脉冲回波法是最常用的超声声速测量方法之一。该方法

使用单发单收的方式，发射一个超声脉冲波，经过材料后反向传播并被接收器接收。通过测量从发射到接收的时间间隔，可以计算出超声波在材料中的传播时间，再根据材料的厚度，就可以得到超声声速。

相位比较法是一种更精确的超声声速测量方法。该方法

使用单发多收的方式，发射两个超声波脉冲波，分别经过材料

后被多个接收器接收。通过比较两个超声波的到达时间差，可以计算出超声波在材料中的传播时间差。再根据材料的厚度和传播时间差，就可以得到超声声速。

在进行超声声速测量时，需要注意以下几个因素。首先

液体中超声波声速的测定实验报告

液体中超声波声速的测定

人耳能听到的声波，其频率在16Hz 到20kHz 范围内。超过20Hz 的机械波称为超声波。光通过受超声波扰动的介质时会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。利用声光效应测量超声波在液体中传播速度是声光学领域具有代表性的实验。一、

实验目的

1．了解超声波的产生方法及超声光栅的原理 2．测定超声波在液体中的传播速度二、

实验仪器

分光计，超声光栅盒，钠光灯，数字频率计，高频振荡器。三、

实验原理

将某些材料（如石英、铌酸锂或锆钛酸铅陶瓷等）的晶体沿一定方向切割成晶片，在其表面上加以交流电压，在交变电场作用下，晶片会产生与外加电压频率相同的机械振动，这种特性称为晶体的反压电效应。把具有反压电效应的晶片置于液体介质中，当晶片上加的交变电压频率等于晶片的固有频率时，晶片的振动会向周围介质传播出去，就得到了最强的超声波。

超声波在液体介质中以纵波的形式传播，其声压使液体分子呈现疏密相同的周期性分布，形成所谓疏密波，如图1a)所示。由于折射率与密度有关，因此液体的折射率也呈周性变化。若用N 0表示介质的平均折射率，t 时刻折射率的空间分布为

()()y K t N N t y N s s -∆+=ωcos ,0

式中ΔN 是折射率的变化幅度；ωs 是超声波的波角频率；K s 是超声波的波数，它与超声波波长λs 的关系为K s =2π/λs 。图1b 是某一时刻折射率的分布，这种分布状态将随时以超声波的速度v s 向前推进。

图1 密度和折射率呈周期分布

如果在超声波前进的方向上垂直放置一表面光滑的金属反射器，那么，到达反射器表面的超声波将被反射而沿反向传播。适当调节反射器与波源之间的距离则可获得一共振驻波（纵驻波）。设前进波与反射波分别沿y 轴正方向传播，它们的表达式为

超声波声速与频率关系

超声波是一种高频声波，其频率远高于人类能够听到的声音频率。超声波在医学、工业、科学研究等领域有着广泛的应用。超声波的声速和频率之间存在着密切的关系，下面将就超声波声速与频率之间的关系进行探讨。

我们来了解一下声速的概念。声速是指声波在介质中传播的速度，通常用符号v表示。声速与介质的密度和弹性系数有关，不同介质中声速也会发生变化。在空气中，声速约为343米/秒，而在水中则约为1500米/秒。

超声波的频率是指单位时间内声波的震动次数，通常用符号f表示，单位为赫兹（Hz）。超声波的频率通常在20kHz以上，高达几百kHz甚至更高。频率越高，声波的震动次数越多，声波的能量也就越大。

超声波的声速与频率之间存在着一定的关系。一般来说，超声波的频率越高，声速也就越快。这是因为频率高的声波具有更短的波长，波长与声速成正比，所以频率高的声波在单位时间内震动的次数更多，传播速度也就更快。

超声波的声速还与介质的性质有关。在同一介质中，频率相同的超声波其声速也是相同的。但是在不同介质中，即使频率相同，声速也会不同。这是因为介质的密度和弹性系数不同，会影响声波在介

质中的传播速度。

超声波的声速与频率之间的关系对于超声波技术的应用具有重要意义。在医学中，超声波被广泛应用于超声诊断、超声治疗等领域。通过控制超声波的频率和声速，医生可以更准确地观察人体内部的情况，实现对疾病的诊断和治疗。

在工业领域，超声波也被用于无损检测、焊接、清洗等工艺中。通过调节超声波的频率和声速，可以实现对材料内部缺陷的检测，提高生产效率，降低生产成本。

超声波在不同材料中的声速

常用材料的声速值

材料in/us m/s

铝0.250 6305 铋0.086 2184 黄铜0.173 4394 钙0.109 2769 铸铁0.18(apprx) 4572 康铜0.206 5232 紫铜0.184 4674 环氧树脂0.100（apprx）2540 白铜0.187 4750 玻璃0.223 5664 火石玻璃0.168 4267 金0.128 3251 冰0.157 3988 铁0.232 5893 铅0.085 2159 镁0.228 5791 汞0.057 1448 镍0.222 5639 尼龙0.102(apprx) 2591 石蜡0.087 2210 铂0.156 3962 有机玻璃0.106 2692 聚苯乙烯0.092 2337 陶瓷0.230(apprx) 5842 PVC 0.094 2388 石英玻璃0.222 5639 硫化橡胶0.091 2311 银0.142 3607 普通钢0.233 5918 不锈钢0.223 5664 斯太立硬质合金0.275(apprx) 6985 聚四氟乙烯0.065 1422 锡0.131 3327 钛0.24 6096 钨0.210 5334 锌0.166 4216 水0.158 1473

关于超声声速的测定实验报告

张浩波机械二班100104254

摘要：声波是一种能在气体、液体和固体中传播的弹性机械波。频率低于20Hz的声波称为次生波，频率在20~20000Hz 的称为可闻波，而超过20000Hz 的机械波称为超声波。超声波比光的波长长比普通电磁波波长短，比X 射线容易在物质内部传播。超声波的波长短，易于定向发射等特点，使它应用非常广泛，如超声探伤、超声诊断、超声测厚、超声碎石、超声处理等。在同一媒介中，声速基本与频率无关。在普通的室温变化下，实验的结果于理论值之间的差距也不会相差太多，所以温度不需要考虑太多。

关键字：声速超声波示波器共振干涉

英文译文：An acoustic wave is in the gas, liquid and solid in the propagation of the elastic mechanical wave. Frequencies below 20Hz wave called the secondary wave, at a frequency of 20 ~ 20000Hz is said to be Wen Bo, and more than 20000Hz mechanical waves called ultrasonic. Ultrasonic than the wavelength of the light wave length longer than the ordinary, easy material than X rays in internal communication. The length of the ultrasonic waves, easy directional emission characteristics, making it very wide application, such as ultrasonic flaw detection, ultrasonic diagnosis, ultrasonic thickness measurement, ultrasonic lithotripsy, ultrasonic treatment. In the same，medium, velocity and frequency independent basic.In an ordinary room

超声波在固体中传播速度的测量

在固体中传播的声波是很复杂的，它包括纵波、横波、扭转波、弯曲波、表面波等，而且各种声速都与固体棒的形状有关，金属棒一般为各向异性结晶体，沿任何方向可有三种波传播。

【实验目的】

1、学会用时差法测定超声波在固体中的传输速度。

2、学会用逐差法处理实验数据。

3、熟悉数字示波器等仪器的使用。

【实验原理】

时差法测量原理：

在实际工程中，时差法测量声速得到广泛的应用。时差法测试声速的基本原理是基于速度V=距离L/时间T，通过在已知的距离内计测声波传播的时间；从而计算出声波的传播速度，在一定的距离之间由控制电路定时发出一个声脉冲波，经过一段距离的传播后到达接收换能器。接收到的信号经放大，滤波后由高精度计时电路求出声波从发出到接收这个在介质传播中经过的时间，从而计算出在某一介质中的传播速度。只因为不用目测的方法，而由仪器本身来计测，所以其测量精度相对于驻波法和相位比较法要高。同样在液体中传播时，由于只检测首先到达的声波的时间，而与其它回波无关，这样回波的影响比较小，因此测量的结果较为准确，所以工程中往往采用时差法来测量。

连续波经脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质中，声波在介质中传播，经过t时间后，到达L距离处的接收换能器。由运动定律可知，声波在介质中传播的速度可由以下公式求出：速度V=距离L/时间t。通过测量二换能器发射接收平面之间距离L和时间t ,就可以计算出当前介质下的声波传播速度。

图5-5 发射波与接收波

【仪器与器材】

SVX-7声速测试仪信号源、SV-DH-7A型测试架、数字示波器、材料样品（有机玻璃棒、铝棒等）。

超声诊断的物理基础

27
声束厚度伪像
28
8、旁瓣伪像
较大的胆囊或膀胱结石，含气肠管。宫内节育环等常引起旁瓣伪像。
29
9、声束伪差或伪像
超声仪器的成像及测量都是按照人体软组织的平均声速(1540m/s)设置的。对于一般软组织（肝脾等）超声成像及测量不会产生明显影响，但对于声速过慢或过快的组织，却会造成不可忽视的影响。如，脂肪声速较慢，但是脂肪成像时会产生一个比实际大小要的的图像，测值也会过大。而对于声速过快的骨骼等测量时测值则会过小。
4
超声波的物理性质
• 横波及纵波图示 • 上面为纵波，下面为横波
5
超声波的基本物理量
• 一、波长、频率和声速 C=λ·f c固>c液>c气 1、同一种介质的声速只与介质的性质有关，与频率无关。 2、相同频率的超声波在不同介质中的声速是不同的 3、在同一种介质内传播时，不同频率的超声波的波长与频率成反比。 4、在不同介质中传播时，相同频率的超声波，声速不同，波长也不一样。 5、超声检查人体软组织，通常采用超声波速度为1540m/s。二、声压和声强 P（声压）=ρ（介质密度）c（声速）υ（质点振动速度）声压的单位是微巴（µbar,1µbar=0.1Pa）声强指超声波在单位时间内，通过与声波传播方向相垂直的单位面积上超声强度。（简称声强即声功率） I=p2/ ρc（单位W/cm2或Mw/cm2或uw/cm2）三、声阻抗 Z= 三 ρc（单位瑞利）1瑞利=1㎏/m3Xm/s=g/（cm2· s）

超声波物理

第一节超声波的基本性质
一、超声波的分类
超声波按振动方式分类：纵波和横波。在固体中声振动可以传播纵波和横波，但一般在液体和气体中，由于介质没有切变弹性，只能
传播纵波。人耳只能感受纵波。
超声波在临床按频率分类：1、低频超声 1~2.75MHz频段；2、中频超声3~10MHz；
3、高频超声12~20MHz；
平方米 ) ，或Pa(帕斯卡）。超声在介质中传播，介质的密度随之做周期性变化，介质中的压强也就
随之变化。由声波的动力学方程可知，声压的表达式是：
p
Ac
c os t
x c
2
即p
pm
c os t
x c
2
其中pm Ac称为声压幅值。A是振幅，是密度，
c是声速，为声波的圆频率
声压的有效值为pe则pe
以能量来计算称声强。声强（I）与声压（P）的关系为：
I 1 cA2 2 Pm2 pe2
2
2c c
4、声阻抗声波传导时介质位移需要克服的阻力。是声学介质的重要物理量，因介质的密度为ρ，声速为c,则声阻
抗:Z=ρ.c，单位是N.s.m-3。常见的人体组织的声阻抗见表7-1
人体组织的声阻抗可分为三类：低声阻的气体或充气组织。如：肺部组织
G
其中，Y是杨氏模量；G是切变模量；p是介质的平均密度。
在医用频率内，液体、气体只能传播纵波。设人体的体积弹性模量为B，

超声波(2)

2015-4-14
介质的横向相对缩短 d d 4 介质的纵向相对伸长 L L
⒉细棒中的声速
C Lb =
E ρ
⒊声速与温度、应力、材料均匀性的关系
固体介质中的声速与介质温度、应力、均
匀性有关。
一般固体中的声速随介质温度升高而降低。一般压应力增加，声速增加；拉应力增加，声速降低。
26
I P = 10lg = 20lg I0 P0 P = 20lg P0
2015-4-14
H = 20lg H0
各种声音的分贝数大致如下：引起听觉的声强 10-16瓦/厘米2 0 dB
树叶沙沙声
耳语谈话大炮声超声波
2015-4-14
10-15瓦/厘米2
10-14瓦/厘米2 10-11瓦/厘米2 10-6瓦/厘米2 10＋4瓦/厘米2
如：
测量声压
声压比声强比
P P0 I I0
参考声压——1000Hz 时引起耳朵听觉的声压最小值( 2× 10 -5 Pa )
波高比
2015-4-14
H H0
1000Hz时引起耳朵听觉的声强最小值（10-16W/cm2）
25
⑴ 声强级 (dB)
I = 10lg I0
dB dB dB
2015-4-14 16