超声波技术及应用

1、超声波原理及应用 广州市番禺奥迪威电子有限公司 目录 n超声波简介 n压电陶瓷简介 自然界中的超声波 超声波的类型 n纵波 n横波 n表面波 n板波 表面波 n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。 n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：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

2、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。 超声波的特点（1） n超声波可以在气体、液体、固体、固熔体等介质中有 效传播 n超声波可以携带较多的能量 n超声波的传播具有方向性 n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。 n超声波在液体中可以产生空化效应 n超声波具有多普勒效应 超声波的特点（2） n容易衰减（在液体和固体中衰减较小） n传播速度受温度影响 n在两种不同介质的界面处反射强烈，在许多场 合必须使用耦合剂或匹配材料。 n超声波可以聚焦。 超声波的产生机制 n电磁振动 n磁致伸缩效应 n压电效应 n静电引

3、力 n其它形式的机械振动 超声波效应 n机械效效应：清洗、加工、抛光 n声学效应：超声波探测 n热效应：超声波焊接 n空化效应：乳化、雾化 n化学效应： n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。 n生物效应：加快植物种子发芽 超声波的相关术语 n声场 n发射角 n声阻抗 n声匹配 n衰减系数 声场 发射角 n超声波的传播具有方向性， n发射角与波长和换能片尺 寸相关。 n频率越高、直径越大波束 角越小。 声阻抗 n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=cu/u=c n超声波

4、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。 12 2 0 12 12 0 2 ZZ Z P p t ZZ ZZ P p r t r 声匹配 n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。 n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。 n固态的的匹配材料一般叫匹配层，液态的一般称为耦 合剂。 n声匹配公式： 超声波的强度（能流密度） 22222 2 2 1 AvfAvwvI 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

5、系数 n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。 n以平面波为例，其声压衰减方程为 n声压以指数形式衰减，相应的系数被称为衰减系数。 x x ePP 0 超声波的应用 n测量：距离、流速、流量、厚度 n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 n雾化：加湿、盆景、园艺、消毒、 n空化：炼油、乳化 n清洗：珠宝、首饰、精密零件 n加工：磨削、钻孔、抛光、焊接 n美容：按摩、洁齿 n医疗：结石破碎、医学成像、呼吸医疗 n马达：相机镜头、微位移控制 n生物：促进种子发芽 n

6、化学：加快酒类醇化、加快化学反应速度 超声波线缆测高仪 倒车雷达 超声波雾化器 超声波超声波雾化器 塑料点焊机塑料点焊机 n频率：频率：28KHZ n功率：功率：300W 超声波超声波焊接机 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 涂层测厚仪涂层测厚仪 美国DeFelsko公司 n技术参数技术参数: n测量范围: 25-1000m n分辨率: 2m n精度: (2m+3%的读数) n测量速率: 45个读数/秒 超声探伤仪超声探伤仪 德国德国 Krautkramer K.K 公司公司 医学超声成像医学超声成像 线阵声纳线阵声纳 德国德国 n基元数基元数:3X96, n基阵长

7、：基阵长：48米米 小结 n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。 n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。 n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。 压电陶瓷 n压电材料 n压电发展历史 n压电材料简介 n常见的压电材料 n压电材料的性能参数 n压电材料应用 自然界中的压电材料石英 高分子压电材料（压电薄膜） 压电陶瓷历史 n1880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

8、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) 。 n1881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。 n1916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。 n1918 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

9、罗息盐电声组件问 世。 n1921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。 压电陶瓷历史 n1947年 采用BaTiO3压电陶瓷制成了拾音器，这 对压电材料的应用具有重大意义，极大地刺激了 压电陶瓷材料的研究与应用开发。 n 1969年 发现聚偏氟乙烯薄膜制程的驻极体具有 优良的压电性后，聚合物驻极体的研究和应用迅 速发展起来。 压电陶瓷历史 常见的压电陶瓷材料 n1、钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷具有较高的压电系数 和介电常数，机械强度不如石英。 n2、锆钛酸铅Pb（ZrTi）O3系压电陶瓷（PZT）压电 系数较高，各项机电参数随温度、时间等外

10、界条件的 变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素， 可以获得不同性能的PZT材料。 n3、铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷 （PMN）具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2 仍能继续工作，可作为高温下的力传感器。 压电原理 石英的晶体结构 (b)(a) + + - - - Y X X Y 硅氧离子的排列示意图 (a) 硅氧离子在Z平面上的投影 （b）等效为正六边形排列的投影 + 石英的压电机制 压电陶瓷的极化 直流电场E 剩余极化强度 剩余伸长 电场作用下的伸长 (a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后 极化后的压电陶瓷 自由电荷 束缚电

11、荷 电极 电极 极化方向 陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附 的自由电荷示意图 压电效应 压电效应压电效应 逆压电效应逆压电效应 压电陶瓷等效模拟电路 并联模拟电路 串联模拟电路 n压电应变常数d33: 表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小。 n压电电压常数g33： 表示作用在压电晶体上单位应力所产生的电压梯度大小。 )/( 33 Vm U t d )/( 33 NmV P U g P 压电材料的主要性能参数 压电材料的主要性能参数 n介电常数: n 机电耦合系数K: 表示压电材料机械能(声能)与电能之间的转换效率。 n机械品质因子Qm : 压电晶片在谐振时贮存的机械能E贮与在一个周期内损

12、耗的能 量E损之比称为机械品质因子Qm。 A t C 输入的能量 转换的能量 K 损 贮 E E Q m n频率常数Nt: 压电晶片的厚度与固有频率的乘积是一个常数， 这个常数叫做频率常数。 n居里温度Tc： 使压电材料的压电效应消失的温度。 常数）( 2 0 L t c tfN 压电材料的主要性能参数 压电材料的主要特性 n转换性能：要求具有较大的压电常数。 n机械性能：机械强度高、刚度大。 n电性能：高电阻率和大介电常数。 n环境适应性：温度和湿度稳定性要好，要求具 有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。 n时间稳定性：要求压电性能不随时间变化。 压电材料应用 压电陶瓷按照应用分类共分为七大类： n压电振荡器及材料 n压电声电组件：蜂鸣器、送话器、受话器、压电喇叭 n压电超音波换能器：超音波清洗、超音波雾化、超音波美容、 超音波探测 n信息处理组件：滤波器、谐振器、检波器、监频器、表面声波、 延迟线 n动力装置：点火器、超音波切割、超音波粘接、压电马达、压