超声波的产生与传播

PHYSICS超声波的产生与传播从物理原理到工程应用2026年课程导览01声波本质超越人耳感知的机械波02产生机制压电效应与换能器原理03传播特性反射、折射与衰减规律04典型应用从医学诊断到工业检测CHAPTER声波本质超越人耳感知的机械波从频率定义到波动本质，认识超声波的基本面貌01频率决定超声波的边界超声波是频率高于20000Hz的机械波，超出人耳感知范围却真实存在。日常说话频率约85~1100Hz，远低于超声频段。超声波频率高于

20000Hz，而日常说话频率约

85~1100Hz，远低于超声频段。声波类别频率范围次声波<20Hz可听声20Hz~20kHz超声波20kHz~1GHz特超声>1GHz医学诊断常用

2~15MHz，工业检测多用

50kHz~10MHz机械波的本质约束超声波本质是弹性介质中的机械纵波，依赖介质传播，真空中无法存在短短波长1MHz超声波在水中波长仅约

1.5mm高高能量密度平方正比能量密度与频率平方成正比，同振幅下远比普通声波有力定定向波束聚集高频短波长使衍射不显著，易于聚集成定向波束，适合精准探测衰介质衰减差异数十米气体中衰减强烈，液体与固体中可穿透数十米CHAPTER产生机制电能与声能的桥梁压电效应如何让晶体振动发声02正逆压电效应压电效应由居里兄弟于19世纪末发现，是超声波产生的核心机制正压电效应压电材料受机械应力时表面产生电荷将机械能转为电能接

收

回

波逆压电效应施加交变电场时晶格发生周期性形变将电能转为机械振动发

射

超

声

波对压电晶片施加交变电压→激发同频率机械振动压电材料与换能器结构PZT（锆钛酸铅）——主流材料压电系数高性能稳定当前主流材料演进钛酸钡早期稳定性较差PMN-PT单晶现用于医疗高频探头压电晶片电能与声能转换核心匹配层厚度取四分之一波长，显著提升声能传输效率背衬层吸收背向振动，减少振铃效应，提升图像清晰度电极施加交变电场驱动晶片振动外壳保护内部结构，固定整体封装CHAPTER传播特性声波在介质中的旅程理解传播规律，才能读懂超声图像03声阻抗差决定反射强弱两种介质声阻抗差达千分之一即会发生界面反射，声阻抗差越大反射越强反射强度钢与空气界面近乎全反射，透射趋零反射定律入射角等于反射角，入射能量等于反射加透射折射偏折声束穿过不同声速组织时方向偏折，可能造成测距与导向误差界面类型反射情况钢-空气几乎全反射水-钢部分反射同种介质几乎无反射介质越致密声速越快超声波传播速度由介质的弹性模量与密度共同决定，固体显著快于气体三种介质纵波声速对比钢5920m/s纯水（20℃）1482m/s空气343m/s衰减让声波能量渐弱超声波随传播距离增加能量逐渐减弱，由三大机制共同作用扩散衰减波束扩散所致仅与波阵面形状相关与介质性质无关波束扩散所致散射衰减声阻抗差异界面遇到晶粒等声阻抗差异界面产生散乱反射晶粒越粗大越严重晶粒越粗大，散乱反射越严重吸收衰减内摩擦与热传导介质质点内摩擦与热传导耗能介质衰减主要构成是介质衰减的主要构成波型与特殊传播现象三种基本波型3类纵波介质：固液气质点振动与传播方向一致横波介质：固体质点振动垂直传播方向表面波介质：固体表面振幅随深度快速衰减特殊传播现象3类散射小界面使能量向各方向分散回波来自组织内部微结构空化效应气泡崩溃产生上千大气压冲击力支撑清洗与治疗多普勒效应反射频率随界面运动而改变血流检测的基础CHAPTER典型应用原理落地为价值从B超成像到无损探伤，超声波改变世界04医学诊断与非侵入治疗诊断应用B超成像利用

2~18MHz

超声波生成实时图像，分辨率可达

0.1mm多普勒超声检测血流速度与方向，用于心血管疾病诊断治疗应用HIFU消融高强度聚焦超声聚焦能量消融肿瘤，治疗子宫肌瘤、肝癌体外碎石以

0.8~3.5MHz

聚焦超声波粉碎肾结石低强度超声促进血液循环，加速骨折愈合与软组织修复工业无损检测与测厚超声波以无损方式完成探伤、测厚与流量计量，兼具安全与高效探伤精度5MHz探头可检测金属内部0.1mm级裂纹检测范围焊接件/锻件/铸件测厚能力测量方式超声波测厚仪测厚对象与优势精确测量管道与容器壁厚无需破坏工件流量计量多普勒超声波流量计误差率<1%标准满足工业计量标准空化清洗与超声焊接高频振动催生空化气泡，瞬间爆破释放巨大能量，完成精密剥离与接合清洗应用频率20~100kHz原理空化气泡剥离微孔与盲孔内的污垢杂质场景精密制造、电子半导体、医疗器械、珠宝钟表焊接应用频率15~40kHz原理高频振动摩擦生热，实现塑料与金属接合优势无需粘合剂测距传感与生活应用测距避障超声波测距倒车雷达通过发射与接收超声波的时间差计算障碍物距离，成本低、抗干扰强；液位监测与机器人避障同样广泛采用。加湿雾化高频振动加湿器以

1.7~2.4MHz

高频振动雾化水分子，能耗低、噪音小。美容导入空化作用超声导入仪借空化作用促进护肤品渗透，提升