超聲波的原理及其應(yīng)用

1、超聲波的原理及其應(yīng)用目錄摘 要. 錯誤！未定義書簽。1. 緒論 . 252. 超聲波的基本原理 . 262.1 什么是超聲波 262.2 波的傳播 262.3 超聲波傳播的特點 323. 超聲波的應(yīng)用 . 323.1 超聲波傳感器 333.2 超聲波測距 343.3 超聲波測量流量 363.4 超聲波提取技術(shù) 393.5 超聲清洗 403.6 超聲波在軍事中的應(yīng)用 423.7 超聲波技術(shù)在納米材料制備中的應(yīng)用 423.8 超聲波在醫(yī)療方面的應(yīng)用 434. 后記 . 445. 致謝 . 錯誤！未定義書簽。參考文獻 . 44湖北師范學院學士學位論文評審表 . 錯誤！未定義書簽。超聲波的原理及其應(yīng)用

2、1. 緒論早在1830年，F(xiàn) Savart曾用齒輪，第一次產(chǎn)生2.4 104HZ的超聲，1876 年FGalton用氣哨產(chǎn)生3 104Hz的超聲。1912年4月10日，泰坦尼克號 觸冰山沉沒，引起科學界注意，希望可以探測到水下的冰山。直到第一次世 界大戰(zhàn)中，德國大量使用潛艇，擊沉了協(xié)約國大量艦船，探測潛艇的任務(wù)又 提到科學家的面前。當時的科學家郎之萬和他的朋友利用當時已出現(xiàn)的功 率很大的放大器和石英壓電晶體結(jié)合起來，能向水下發(fā)射幾十千赫茲的超聲 波，成功的將超聲波應(yīng)用到實際中。我國解放前超聲研究是個空白，超聲學的研究始于1956年的12年科學 規(guī)劃。1959年超聲應(yīng)用（探傷、加工、種子處理、顯

3、示、醫(yī)療、粉碎、乳化 及染料等）取得了進展。在基礎(chǔ)研究反面也有相當深度，如棒的聲振動、超 聲乳化和水中氣泡的超聲吸收問題；建立了分子聲學試驗設(shè)備，對弛豫吸收、 懸浮體的聲吸收進行了系列研究；建立了固體中超聲衰減的測量設(shè)備；對粘 彈性和可壓縮流體的聲速和衰減進行了深入研究。1965年開始研究了聲表面 波換能器。進入80年代，我國超聲學面向?qū)嶋H應(yīng)用。B超醫(yī)療開始投入生產(chǎn)； 超聲加工、超聲研磨、超聲焊接、超聲清洗、超聲催化與濾礦及超聲技術(shù)育 種等逐步開始形成一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。壓電復(fù)合換能器研制成功，窄脈沖短余 振探頭問世；PVDF新穎壓電薄膜換能器及超聲顯微鏡獲得實用；高頻壓電材料LiNbO3研制成功

4、和走向?qū)嵱?。九十年代以來，在中國科學院聲學研究所 與南京大學聲學研究所相繼批準建立了國家級重點實驗室?？傊?，我國的超 聲學研究過的巨大的發(fā)展，有些方面已達到國際先進水平。超聲技術(shù)是一門以物理、電子、機械及材料學為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都要 遇上的通用技術(shù)之一。在國民經(jīng)濟中，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全和設(shè) 備安全運行，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率特別具有潛在能力。因此，我國 近十年來，對超聲技術(shù)的應(yīng)用研究十分活躍，涉及的應(yīng)用范圍非常廣泛。但 歸納起來，也無非是兩大類：第一類是超聲加工和處理技術(shù)；第二類就是超 聲檢測與控制技術(shù)3，其他的超聲理論和實驗，實際上都是為這兩類應(yīng)用服 務(wù)的。超聲加工和處理技術(shù)

5、是利用高強度的超聲波來改變物質(zhì)的性質(zhì)和狀態(tài)的技術(shù)。超聲鉆孔、清洗、焊接、粉碎、凝聚、萃取、催化等都是這類技術(shù) 中的典型應(yīng)用。超聲檢測與控制技術(shù)是利用較弱的超聲波來進行各種檢驗和測量， 必要 時可以進行自動控制的技術(shù)。在檢驗技術(shù)方面，最典型的應(yīng)用就是超聲探傷 和超聲檢漏等。在測量技術(shù)方面，媒質(zhì)的許多非聲學特性和媒質(zhì)的某些狀態(tài) 參量都可以用超聲方法來加以測定。而不論是超聲加工處理技術(shù)還是超聲檢測與控制技術(shù)， 都要涉及到超聲 波的產(chǎn)生和檢收，這就是所謂的超聲換能技術(shù)。但不論是超聲波的應(yīng)用或超 聲換能器的設(shè)計都要涉及到超聲波的傳播理論； 也都要用到超聲波的某些效 應(yīng)和作用；而為了定量的進行研究就脫不開

6、超聲量的測量問題。因此這三方 面內(nèi)容就成為超聲學理論和實驗的基礎(chǔ)。 超聲應(yīng)用的發(fā)展促進了這些基本問 題的研究，而這些基本問題方面的成就又進一步指導了超聲應(yīng)用技術(shù)的發(fā) 展。超聲波的應(yīng)用十分廣泛，不光是工業(yè)，在醫(yī)療，軍事等其他眾多方面的 應(yīng)用文中也給以總結(jié)，概括。2. 超聲波的基本原理超聲波的基本原理是其應(yīng)用的基礎(chǔ)， 只有在了解其原理的基礎(chǔ)上才能更 好的應(yīng)用超聲波，促進超聲波的發(fā)展，下面就對其原理作簡要介紹。2.1 什么是超聲波所謂超聲波，是指人耳聽不見的聲波。正常人的聽覺可以聽到 20 赫茲 (Hz) -20千赫茲(kHz)的聲波，低于20赫茲的聲波稱為次聲波或亞聲波， 超過 20 千赫茲的聲波

7、稱為超聲波 。超聲波是聲波大家族中的一員， 和可聞 聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點都是一種機械振動，通常以縱波的方式在 彈性介質(zhì)內(nèi)傳播，是一種能量和動量的傳播形式，其不同點是超聲頻率高， 波長短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。2.2 波的傳播超聲波是波的一種，他的傳播完全符合波的傳播特點。所以超聲波在介 質(zhì)中傳播的波形取決于介質(zhì)可以承受何種作用力以及如何對介質(zhì)激發(fā)超聲 波。通常有如下三種波形 5 :縱波波形：當媒質(zhì)中各體元振動的方向與波傳播的方向平行時，此超聲 波為縱波波形。任何固體介質(zhì)當其體積發(fā)生交替變化時均能產(chǎn)生縱波。橫波波形：當媒質(zhì)中各體元振動的方向與波傳播的方向垂直時

8、，此種超 聲波為橫波波形。由于媒質(zhì)除了能承受體積變形外，還能承受切變變形，因 此，當其有剪切應(yīng)力交替作用于媒質(zhì)時均能產(chǎn)生橫波。橫波只能在固體介質(zhì) 中傳播。表面波波形：是沿著兩種媒質(zhì)的界面?zhèn)鞑サ木哂锌v波和橫波的雙重性質(zhì) 的波。表面波可以看成是由平行于表面的縱波和垂直于表面的橫波合成，振動質(zhì)點的軌跡為一橢圓，在距表面1/4波長深處振幅最強，隨著深度的增加 很快衰減，實際上離表面一個波長以上的地方，質(zhì)點振動的振幅已經(jīng)很微弱 了。2.2.1平面簡諧波方程平面波傳播時，若媒質(zhì)中體元均按余弦(或正弦)規(guī)律運動，叫平面簡 諧波。這是最基本的波動形式，一些復(fù)雜的波可視為平面簡諧波的疊加。平面簡諧波方程定量的描

9、述出每個體元的運動學狀態(tài)，解決平面簡諧波的運動學問題。設(shè)平面簡諧波沿x軸傳播，y為體元距平衡位置的位移，貝xy = Acos (t ) =Acosk(vt " x)(2.1)v川=2二 /T =2二、(2.2)式中，A為振幅，為圓頻率,取決于波源頻率 o k = = 2二；,常稱v為波數(shù)。2.2.2平面簡諧波波動方程要深刻了解超聲波，僅從運動學角度研究還不夠，也要對波作動力學分 析才能看到波傳播的機制并能進一步研究超聲波4。下面簡單介紹下波動方 程與波速。(1)波動方程橫波的波動方程：2 , 2y N ： y -722(2.3)(2.4).t : ；x式中N為剪切模量，t為媒質(zhì)密度。

10、 縱波的波動方程：¥ =1文式中丫為楊氏模量波速對式(2.1 )做偏導數(shù)運算，并帶入式(2.3 )可得橫波的波速:(2.5)v橫二.N :同理可得(2.6)流體中縱波的波速為v縱二 K ”v縱二.丫(2.7)式中K為流體的體變模量，且與熱過程有關(guān)223平均能流密度，聲強與聲壓媒質(zhì)中波的能量分布包括動能和勢能，都會參與能量轉(zhuǎn)換，單位體積媒 質(zhì)所具有的能量叫能量密度，表示媒質(zhì)中能量的分布情況，其表達式為(2.8)又因正弦函數(shù)平方在一；=腥=2A2 sin2 (t _ x)能量密度在一周期內(nèi)的平均值即平均能量密度,1周期內(nèi)的平均值為丄，故：2丁 ?2A2sin2 (t _X)dt 二1 二

11、 2a2v 2dV(2.9)對于一定媒質(zhì)，各點能量密度對時間的平均值和角頻率平方與振幅平方 成正比。而平均能流密度則是矢量，大小為單位時間內(nèi)通過與波傳播方向垂直的 單位面積的能量，方向沿波的傳播方向，其大小也叫聲強，為I - ；v = "2A2v2 （2.10）聲強對面積積分，則得到聲功率，單位為瓦（ W普通聲波的聲功率通 常很小，1000萬人同時說話，也只有100W的功率。但超聲波的聲功率卻很 大，可以被廣泛應(yīng)用。在有聲波傳播的空間，某一點在某一瞬時的壓強p與沒有聲波時壓強p0 的差，叫作該點處瞬時的聲壓，與體元速度有密切聯(lián)系【4】。(2.11)若波沿x軸傳播，聲壓與體元速度關(guān)系可

12、用如下的聲壓波方程表示p = Pg Acos |議口（2.12）I v丿 2 一Pmax二汀 A即聲壓幅；若波逆x軸傳播，聲壓波方程為p - -，將p和）分別對比于電壓和電流，八.相當于電阻，稱為波阻或聲阻，記作 Z 八。另外，聲波傳播時，能流密度和聲壓幅將衰減。球面波因波射線發(fā)散而 波面增大，有限能流在越來越大的面積上分布，故聲強聲壓幅均衰減。另一 方面，即使對平面波，部分能量也會被媒質(zhì)吸收，轉(zhuǎn)變?yōu)闊徇\動能量，聲強 亦逐步衰減，如下式所示:(2.13)Id =le：d式中I表示入射初始聲強，ld為深如媒質(zhì)d距離處的聲強，'為衰減系 數(shù)，與波的頻率以及媒質(zhì)性質(zhì)有關(guān)頻率越高，衰減得越厲害

13、，傳播的距離也 越短。而水中超聲波的衰減系數(shù)比在空氣中小得多，與電磁波剛好相反，更 兼超聲波波長短，根據(jù)中學知識波長越短，直進性強，遇障礙物時易形成反 射，可用于在水中探測或搜索魚群，探測海深以至搜索水雷和潛艇等軍事目 標。而且超聲波在軟組織和肌肉中衰減系數(shù)也較小， 故可用于探測體內(nèi)病變。2.2.4波的反射、折射以及駐波列波從媒質(zhì)1垂直入射媒質(zhì)2在邊界上形成反射和折射。當聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，在兩介質(zhì)的分界面上，一部分 能量反射回原介質(zhì)，稱為反射波；另一部分能量透射過界面，在另一個介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播，稱為折射波，為描述反射和折射現(xiàn)象，我們引如r和p分別表示反射和折射系數(shù)，r和p均與媒

14、質(zhì)1和2的波阻或聲阻zi和Z2有關(guān)，反 廣'2射系數(shù)為r =乙一Z2 ，另外，p=1-r。由此可見，兩媒質(zhì)波阻相差不多，則0 7丿主要是透射；兩媒質(zhì)波阻相差懸殊，主要是反射。如圖2.2所示。圖中L為入射波，Si為反射橫波，Li為反射縱波，1_2為圖2.2這些物理現(xiàn)象均遵守反射定律、折射定律。除了有縱波的反射波折射波 以外，還有橫波的反射和折射，并且在一定條件下還能產(chǎn)生表面波。2.2.5波的疊加和干涉兩列波互相獨立的傳播，在兩列波的相遇處體元的位移等于各列波單獨 傳播時在該處引起的位移的矢量和，叫作波的疊加原理 4。若兩列波滿足一定條件，貝U兩波相遇時各空間點的合振動能各自保持恒 定振幅

15、而不同位置各點以大小不同的合振幅振動，叫作波的干涉。當兩列波 振動方向相同、頻率相同且在各空間點保持固定的相位差，才能實現(xiàn)干涉現(xiàn) 象所要求的空間各點震動的強弱具有確定的分布。形成波的干涉現(xiàn)象的兩列波叫作相干波，形成波的干涉的條件叫作相干條件。振幅相同、而傳播方向相反的兩列簡諧相干波疊加得到的振動稱為駐 波。其方程為：2兀y=(2Acos x)cos t(2.14)超聲波清洗中，常使用超聲波在清洗槽內(nèi)形成駐波，以引起各種本征振蕩，達到清洗目的226多普勒效應(yīng)之前說的都是聲源、觀察者以及媒質(zhì)是相對靜止的情況，但許多情況下, 他們之間都會發(fā)生相對運動，這樣接收到的頻率會與聲源的發(fā)射頻率有所不 同，這

16、一現(xiàn)象常稱為多普勒效應(yīng)，多用于超聲波測流量的技術(shù)中。聲音傳播過程中，波速v與波源振動的頻率以及波長之間的關(guān)系為=-（2.15）而觀察者觀測到的波速 系為：V 與觀測到的波長以及觀測頻率：之間的關(guān)rt V V =如果聲源和媒質(zhì)靜止，（2.16）觀察者以速率Vo運動，則觀察者接收到的頻率為:=（仁糾（2.17）v如果觀察者和媒質(zhì)靜止，聲源以速率Vs運動，則觀察者接收到的頻率 為:（2.18）V _ Vs如果只有媒質(zhì)靜止，則是以上兩種情況的綜合：* V 士 V0-（2.19）V _ Vs最后，如果媒質(zhì)也以速度Vx運動，以地面為參考系，則聲波相對于地面 的速度就成為V Vx，由此得到：V Vx V0V

17、 Vx _Vs這里的公式中，都認為速度是在從聲源到觀察者的連線方向上的，遇到 速度方向不在一條直線上時，只需要將速度對聲源和觀察者之間的連線進行 投影，再進行計算即可。2.3 超聲波傳播的特點總的來說與可聞波相比 , 超聲波由于頻率高、 波長短, 在傳播過程中具有 許多其特有的性質(zhì) :1）方向性好。由于超聲波的頻率高 , 其波長較同樣介質(zhì)中的聲波波長短 得多, 衍射現(xiàn)象不明顯 , 所以超聲波的傳播方向好。2）能量大。超聲波在介質(zhì)中傳播 , 當振幅相同時 ,振動頻率越高能量越 大。因此 ,它比普通聲波具有大得多的能量。3）穿透能力強。超聲波雖然在氣體中衰減很強 , 但在固體和液體中衰減 較弱。在

18、不透明的固體中 ,超聲波能夠穿透幾十米的厚度 , 所以超聲波在固體 和液體中應(yīng)用較廣。4）引起空化作用。在液體中傳播時 , 超聲波與聲波一樣是一種疏密的振 動波,液體時而受拉時而逐級壓 , 產(chǎn)生近于真空或含少量氣體的空穴。 在聲波 壓縮階段 ,空穴被壓縮直至崩潰。 在空穴崩潰時產(chǎn)生放電和發(fā)光現(xiàn)象 ,這種現(xiàn) 象稱為空化作用。也正是這些特點，使得超聲波在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、軍事等眾多方面都 有著及其廣泛的應(yīng)用。3. 超聲波的應(yīng)用超聲波在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有極其廣泛的應(yīng)用。包括超聲波檢測、超聲波探 傷、功率超聲、超聲波處理、超聲波診斷、超聲波治療等。超聲波在工業(yè)中 可用來對材料進行檢測和探傷，可以測量氣體、

19、液體和固體的物理參數(shù)，可 以測量厚度、液面高度、流量、粘度和硬度等，還可以對材料的焊縫、粘接 等進行檢查。超聲波清洗和加工處理可以應(yīng)用于切割、焊接、噴霧、乳化、 電鍍等工藝過程中。超聲波清洗是一種高效率的方法，已經(jīng)用于尖端和精密 工業(yè)。大功率超聲可用于機械加工，使超聲波在拉管、拉絲、擠壓和鉚接等 工藝中得到應(yīng)用。應(yīng)用在醫(yī)學中的超聲波診斷發(fā)展甚快，已經(jīng)成為醫(yī)學上三 大影象診斷方法之一，與 X 線、同位素分別應(yīng)用于不同場合，例如超聲波理 療、超聲波診斷、腫瘤治療和結(jié)石粉碎等。在農(nóng)業(yè)中，可以用超聲波對有機 體細胞的殺傷的特性來進行消毒滅菌，對作物種子進行超聲波處理，有利于 種子發(fā)芽和作物增產(chǎn)。此外超

20、聲波的液體處理和凈化可應(yīng)用于環(huán)境保護中， 例如超聲波水處理、燃油乳化、大氣除塵等。微波超聲的重點放在微波電子 器件，已經(jīng)制成了超聲波延遲線、聲電放大器、聲電濾波器、脈沖壓縮濾波 器等。下面，就對超聲波的幾個典型應(yīng)用加以描述。3.1 超聲波傳感器由于許多儀器及控制應(yīng)用中均涉及到超聲波傳感器，尤其是在流量測 量，材料無損檢驗及物位測量等方面， 超聲波傳感器的應(yīng)用尤為普遍。 所以， 在此首先簡要的介紹一下超聲波傳感器。廣義上來講， 它是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號轉(zhuǎn)換成聲信號或者 將外界聲場中的聲信號轉(zhuǎn)換為電信號的能量轉(zhuǎn)換器件， 又稱為超聲波換能器 或者超聲波探頭。超聲波傳感器分為發(fā)射換能器和接收

21、換能器， 既能發(fā)射超聲波又能接受 發(fā)射出去的超聲波的回波。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)，而接收 換能器則是利用壓電效應(yīng)。超聲換能器的種類很多，按照其結(jié)構(gòu)可分為直探 頭（縱波）、斜探頭 （橫波） 、表面波探頭、雙探頭 （一個發(fā)射，一個接收 ）、聚 焦探頭（將聲波聚集成一束 ） 、水浸探頭（可浸在液體中 ）以及其它專用探頭。 按照實現(xiàn)超聲換能器機電轉(zhuǎn)換的物理效應(yīng)的不同可將換能器分為電動式、 電 磁式、磁致式、壓電式和電致伸縮式等。超聲波換能器的材料也有多種選擇，某些電介質(zhì) （ 例如晶體、陶瓷、高 分子聚合物等 ） 在其適應(yīng)的方向施加作用力時，內(nèi)部的電極化狀態(tài)會發(fā)生變 化，在電介質(zhì)的某相對兩表

22、面內(nèi)會出現(xiàn)與外力成正比的符號相反的束縛電 荷，這種由于外力作用使電介質(zhì)帶電的現(xiàn)象叫做壓電效應(yīng)。相反地，若在電 介質(zhì)上加一外電場，在此電場作用下，電介質(zhì)內(nèi)部電極化狀態(tài)會發(fā)生相應(yīng)的 變化，產(chǎn)生與外加電場強度成正比的應(yīng)變現(xiàn)象，這一現(xiàn)象叫做逆壓電效應(yīng)。 壓電材料是壓電換能器的研制、應(yīng)用和發(fā)展的關(guān)鍵 6 。大致可分為五類：壓 電單晶體、壓電多晶體、壓電半導體、壓電高分子聚合物、復(fù)合壓電材料。 其中壓電陶瓷是壓電多晶體材料，這類壓電陶瓷為實心，均勻和一體的壓電 功能材料，具有優(yōu)良的壓電性能。壓電陶瓷自問世以來，至今已有30 多年歷史。無論在材料基礎(chǔ)研究方面或是在應(yīng)用方面，都獲得了飛速的發(fā)展。由 于壓電陶瓷

23、的出現(xiàn)，開辟了壓電材料的廣闊前景，也使壓電換能器的理論發(fā) 展和實際應(yīng)用提高到一個新的高度。壓電陶瓷是當今最有可為的壓電材料， 目前在壓電材料中無論數(shù)量上還是質(zhì)量上均處于支配地位， 其原因是它有如 下優(yōu)點：(l) 所用原材料價廉且易得；(2) 具有非水溶性，遇潮不易損壞；(3) 壓電性能優(yōu)越；(4) 品種繁多，性能各異，可滿足不同的設(shè)計要求；(5) 機械強度好，易于加工成各種不同的形狀和尺寸；(6) 采用不同的形狀和不同的電極化軸， 可以得到所需的各種振動模式；(7) 制作工藝較簡單，生產(chǎn)周期較短，價格適中。 根據(jù)不同的實際應(yīng)用情況，超聲波傳感器產(chǎn)生不同頻率。如應(yīng)用在流量 測量領(lǐng)域，聲波的頻率在

24、 30kHz到5MHz之間；應(yīng)用在物位測量領(lǐng)域時，聲 波的頻率會低一些，一般在30kHz到200kHz之間；而當應(yīng)用在檢測裝置(如 測厚儀和探傷檢驗裝置)上時，聲波的頻率范圍很廣，但是總體上來說要比 用于其它領(lǐng)域時高很多。3.2 超聲波測距超聲波因其指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠等特點，而 經(jīng)常用于進行各種測量。如利用超聲波在水中的發(fā)射，可以測量水深、液位 等利用超聲波測距，使用單片機系統(tǒng)，設(shè)計合理，計算處理也較方便，測 量精度能達到各種場合使用的要求。3.2.1 超聲波測距的原理超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知， 測量聲波 在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，

25、根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射 點到障礙物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。測距的公式表示為：L=CX T式中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量 距離傳播的時間差(T為發(fā)射到接收時間數(shù)值的一半)。超聲波測距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量， 雖然目前的測距量程上能達到百米，但測量的精度往往只能達到厘米數(shù)量 級。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中 需要達到毫米級的測量精度， 但是目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是 只有厘米級的測量精度。

26、通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的原因，提高測量時 間差到微秒級，以及用LM92溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后，我們 設(shè)計的高精度超聲波測距儀便能達到毫米級的測量精度 7 。（美國國家半導體 公司的LM92溫度傳感器的溫度測試分辨率為 0.0625 C, -10 C至+85C準確 度為土 1.0 C, I2C總線接口。用89C51的通用I/O端口能很容易的模擬I2C 總線的讀寫時序，LM92的高精度溫度測量能很好的補償超聲波在不同溫度的 傳播速度。）3.2.2 超聲波測距誤差分析根據(jù)超聲波測距公式L=CX T,可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤 差和測量距離傳播的時間誤差引起的。1. 時間誤差

27、當要求測距誤差小于1mm時，假設(shè)已知超聲波速度 C=344m/s （20 C室 溫），忽略聲速的傳播誤差。測距誤差sAt（0.001/344）0.000002907s即 2.907ms7。在超聲波的傳播速度是準確的前提下， 測量距離的傳播時間差值精度只 要在達到微秒級，就能保證測距誤差小于1mm勺誤差。使用的12MHz晶體作時鐘基準的89C51單片機定時器能方便的計數(shù)到1卩s的精度，因此系統(tǒng)采 用89C51定時器能保證時間誤差在1mm勺測量范圍內(nèi)。2. 超聲波傳播速度誤差超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響， 空氣的密度越高則超聲波的傳 播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系。已知超聲

28、波速度與溫度的關(guān)系如下：近似公式為： C=C0+0.607X TC式中：C0為零度時的聲波速度332m/s； T為實際溫度C）。對于超聲波測距精度要求達到1mm寸，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度 考慮進去。例如當溫度0C時超聲波速度是332m/s, 30C時是350m/s，溫度 變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30C的環(huán)境下以0C的聲 速測量100m距離所引起的測量誤差將達到 5m測量1m誤差將達到5mrr。323超聲波測液位超聲波液位測量主要是以超聲波測距為原理，加上合理的設(shè)計，得到液 位測距儀，最簡單的是測量水位。如圖3.2所示，在離水塔底部高H處，安裝設(shè)計好的超聲波液位計。

29、液 位計向水面垂直發(fā)出超聲波，當超聲波遇到水面經(jīng)液面向上反射到液位計， 液位計接收到反射回的超聲波時，由單片機CFU算出超聲波往返一次所用的 時間，即可算出液位計到水面的距離 L,液位高度可由公式：h=H-Vt/2算出 其中，V為超聲波在空氣中的傳播速度，t為超聲波由液位計到水面往返一 次的時間。VIIZ水塔圖3.2利用超聲波發(fā)生器，實現(xiàn)一定頻率的振蕩是很容易的，并且方法有多種, 取液位計與水面的距離為適當?shù)母叨?，可令超聲波發(fā)出去后能有效的返回， 讓接收器收到信號，送到微處理器，經(jīng)微處理器處理所得的數(shù)據(jù)，即可算出 水位高度。超聲波在空氣中一般可以實現(xiàn)有效傳播，只要外部的環(huán)境不是特 別的惡劣，所

30、受到的干擾并不是很大，測量結(jié)果不會有太大的誤差。3.3超聲波測量流量超聲波流量計是近十幾年來隨著集成電路技術(shù)迅速發(fā)展才開始應(yīng)用的 一種非接觸式儀表，適于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量。它與 水位計聯(lián)動可進行敞開水流的流量測量。 使用超聲波流量比不用在流體中安 裝測量元件故不會改變流體的流動狀態(tài)，不產(chǎn)生附加阻力，儀表的安裝及檢 修均可不影響生產(chǎn)管線運行因而是一種理想的節(jié)能型流量計。眾所周知，目前的工業(yè)流量測量普遍存在著大管徑、大流量測量困難的 問題，這是因為一般流量計隨著測量管徑的增大會帶來制造和運輸上的困 難，造價提高、能損加大、安裝不便這些缺點，但超聲波流量計均可避免。 因為各類超聲

31、波流量計均可管外安裝、非接觸測流，儀表造價基本上與被測 管道口徑大小無關(guān)，而其它類型的流量計隨著口徑增加，造價大幅度增加， 故口徑越大超聲波流量計比相同功能其它類型流量計的功能價格比越優(yōu)越 【9】。被認為是較好的大管徑流量測量儀表，多普勒法超聲波流量計可測雙相 介質(zhì)的流量，故可用于下水道及排污水等臟污流的測量。在發(fā)電廠中，用便 攜式超聲波流量計測量水輪機進水量、汽輪機循環(huán)水量等大管徑流量，比過 去的皮脫管流速計方便得多。超聲被流量汁也可用于氣體測量。管徑的適用 范圍從2cm到5m,從幾米寬的明渠、暗渠到500m寬的河流都可適用。另外，超聲測量儀表的流量測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、 粘

32、度、密度等參數(shù)的影響,又可制成非接觸及便攜式測量儀表,故可解決其 它類型儀表所難以測量的強腐蝕性、非導電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流 量測量問題。另外,鑒于非接觸測量特點,再配以合理的電子線路,一臺儀 表可適應(yīng)多種管徑測量和多種流量范圍測量。 超聲波流量計的適應(yīng)能力也是 其它儀表不可比擬的。 超聲波流量計具有上述一些優(yōu)點因此它越來越受到重 視并且向產(chǎn)品系列化、通用化發(fā)展,現(xiàn)已制成不同聲道的標準型、高溫型、 防爆型、濕式型儀表以適應(yīng)不同介質(zhì), 不同場合和不同管道條件的流量測量。超聲波流量計目前所存在的缺點主要是可測流體的溫度范圍受超聲波 換能器及換能器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制, 以及高

33、溫下被測流 體傳聲速度的原始數(shù)據(jù)不全。目前我國只能用于測量200E以下的流體。另外,超聲波流量計的測量線路比一般流量計復(fù)雜。這是因為,一般工業(yè)計量 中液體的流速常常是每秒幾米,而聲波在液體中的傳播速度約為1500ms左右,被測流體流速 （流量）變化帶給聲速的變化量最大也是 103數(shù)量級若 要測量流速的準確度為1%,則對聲速的測量準確度需為10-510-6數(shù)量級網(wǎng), 因此必須有完善的測量線路才能實現(xiàn), 這也正是超聲波流量計只有在集成電 路技術(shù)迅速發(fā)展的前題下才能得到實際應(yīng)用的原因。超聲波流量計由超聲波換能器、 電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分 組成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量,并將

34、其發(fā)射到被測流體 中,接收器接收到的超聲波信號,經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信 號供給顯示和計算儀表進行顯示和計算。這樣就實現(xiàn)了流量的檢測和顯示。 超聲波流量計常用壓電換能器 5 。它利用壓電材料的壓電效應(yīng)，采用適 出的發(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的壓電元件上，使其產(chǎn)生超聲波振勸。 超聲波以某一角度射入流體中傳播，然后由接收換能器接收，并經(jīng)壓電元件 變?yōu)殡娔埽员銠z測。超聲波流量計換能器的壓電元件常做成圓形薄片，沿厚度振動。薄片直 徑超過厚度的 10 倍，以保證振動的方向性。壓電元件材料多采用鋯鈦酸鉛。 為固定壓電元件，使超聲波以合適的角度射入到流體中，需把元件放入聲楔 中，構(gòu)成換能器整

35、體 （又稱探頭 ） 。聲楔的材料不僅要求強度高、耐老化，而 且要求超聲波經(jīng)聲楔后能量損失小即透射系數(shù)接近1。常用的聲楔材料是有機玻璃，因為它透明，可以觀察到聲楔中壓電元件的組裝情況。另外，某些 橡膠、塑料及膠木也可作聲楔材料 5 。超聲波流量計的電子線路包括發(fā)射、接收、信號處理和顯示電路。測得 的瞬時流量和累積流量值用數(shù)字量或模擬量顯示。根據(jù)對信號檢測的原理，目前超聲波流量計大致可分傳播速度差法（ 包括：直接時差法、時差法、相位差法、頻差法 ） 波束偏移法、多普勒法、相 關(guān)法、空間濾波法及噪聲法等類型 1 。其中以噪聲法原理及結(jié)構(gòu)最簡單，便 于測量和攜帶，價格便宜但準確度較低，適于在流量測量準

36、確度要求不高的 場合使用。由于直接時差法、時差法、頻差法和相位差法的基本原理都是通 過測量超聲波脈沖順流和逆流傳播時速度之差來反映流體的流速的， 故又統(tǒng) 稱為傳播速度差法。 其中頻差法和時差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來的 誤差，準確度較高，所以被廣泛采用。按照換能器的配置方法不同，傳播速 度差法又分為：Z法（透過法）、V法（反射法）、X法（交叉法）等。波束偏移法 是利用超聲波束在流體中的傳播方向隨流體流速變化而產(chǎn)生偏移來反映流 體流速的，低流速時，靈敏度很低適用性不大多普勒法是利用聲學多普勒 原理，通過測量不均勻流體中散射體散射的超聲波多普勒頻移來確定流體流 量的，適用于含懸浮顆粒、氣泡等流

37、體流量測量。相關(guān)法是利用相關(guān)技術(shù)測 量流量，原理上，此法的測量準確度與流體中的聲速無關(guān)， 因而與流體溫度， 濃度等無關(guān)，因而測量準確度高，適用范圍廣。但相關(guān)器件價格貴，線路比 較復(fù)雜。在微處理機普及應(yīng)用后，這個缺點可以克服。噪聲法 （聽音法）是利 用管道內(nèi)流體流動時產(chǎn)生的噪聲與流體的流速有關(guān)的原理， 通過檢測噪聲表 示流速或流量值。其方法簡單，設(shè)備價格便宜，但準確度低。 以上幾種方法各有特點，應(yīng)根據(jù)被測流體性質(zhì)流速分布情況、管路安 裝地點以及對測量準確度的要求等因素進行選擇。 一般說來由于工業(yè)生產(chǎn)中 工質(zhì)的溫度常不能保持恒定，故多采用頻差法及時差法。只有在管徑很大時 才采用直接時差法。對換能器

38、安裝方法的選擇原則一般是：當流體沿管軸平 行流動時，選用 Z 法；當流動方向與管鈾不平行或管路安裝地點使換能器安 裝間隔受到限制時，采用 V 法或 X 法。當流量分布不均勻而表前直管段又較 短時，也可采用多聲道 （ 例如雙聲道或四聲道 ）來克服流速擾動帶來的流量測 量誤差。多普勒法適于測量兩相流，可避免常規(guī)儀表由懸浮粒或氣泡造成的 堵塞、磨損、附著而不能運行的弊病，因而得以迅速發(fā)展。隨著工業(yè)的發(fā)展 及節(jié)能工作的開展，煤油混合（COM）煤水混合（CWM燃料的輸送和應(yīng)用以及 燃料油加水助燃等節(jié)能方法的發(fā)展， 都為多普勒超聲波流量計應(yīng)用開辟廣闊 前景。3.4 超聲波提取技術(shù) 超聲波在傳遞過程中存在著

39、的正負壓強交變周期，在正相位時，對介質(zhì) 分子產(chǎn)生擠壓，增加介質(zhì)原來的密度；負相位時，介質(zhì)分子稀疏、離散，介 質(zhì)密度減小。也就是說，超聲波并不能使樣品內(nèi)的分子產(chǎn)生極化，而是在溶 劑和樣品之間產(chǎn)生聲波空化作用， 導致溶液內(nèi)氣泡的形成、 增長和爆破壓縮， 從而使固體樣品分散，增大樣品與萃取溶劑之間的接觸面積，提高目標物從 固相轉(zhuǎn)移到液相的傳質(zhì)速率 10 。超聲波萃取的原理：超聲波萃取的優(yōu)越性，是基于超聲波的特殊物理性 質(zhì)。主要是主要通過壓電換能器產(chǎn)生的快速機械振動波來減少目標萃取物與 樣品基體之間的作用力從而實現(xiàn)固 - 液萃取分離。具體過程為： （1）加速介 質(zhì)質(zhì)點運動。高于 20 KHz 聲波頻率

40、的超聲波的連續(xù)介質(zhì)（例如水）中傳播 時，根據(jù)惠更斯波動原理，在其傳播的波陣面上將引起介質(zhì)質(zhì)點的運動，使 介質(zhì)質(zhì)點運動獲行巨大的加速度和動能。 質(zhì)點的加速度經(jīng)計算一般可達重力 加速度的二千倍以上。 由于介質(zhì)質(zhì)點將超聲波能量作用于樣品基體質(zhì)點上而 使之獲得巨大的加速度和動能，使質(zhì)點迅速逸出而游離于水中。 （2）空化作 用。超聲波在液體介質(zhì)中傳播產(chǎn)生特殊的“空化效應(yīng)” ，“空化效應(yīng)”不斷產(chǎn) 生無數(shù)內(nèi)部壓力達到上千個大氣壓的微氣穴并不斷“爆破”產(chǎn)生微觀上的強 大沖擊波作用在樣品基體上，使目標物質(zhì)被“轟擊”逸出，并使得樣品基體 被不斷剝蝕，其中不屬于剛性結(jié)構(gòu)的成分不斷被分離出來。加速物質(zhì)中有效 成份的浸

41、出提取。 ( 3)超聲波的振動勻化使樣品介質(zhì)內(nèi)各點受到的作用一 致，使整個樣品萃取更均勻。綜上所述，在超聲波場作用下不但作為介質(zhì)質(zhì)點獲得自身的巨大加速度 和動能，而且通過“空化效應(yīng)”獲得強大的外力沖擊，所以能高效率并充分 分離出來。超聲波適用于中藥材有效成份的萃取， 是中藥制藥徹底改變傳統(tǒng)的水煮 醇沉萃取方法的新方法、新工藝。與水煮、醇沉工藝相比，超聲波萃取具有 如下突出特點18 : (1)無需高溫。在40C 50C水溫F超聲波強化萃取，無 水煮高溫，不破壞中藥材中某些具有熱不穩(wěn)定，易水解或氧化特性的藥效成 份。超聲波能促使植物細胞地破壁，提高中藥的療效。( 2)常壓萃取，安全性好，操作簡單易

42、行，維護保養(yǎng)方便。(3)萃取效率高。超聲波強化萃取20 40分鐘即可獲最佳提取率，萃取時間僅為水煮、醇沉法的三分之一或更少。 萃取充分，萃取量是傳統(tǒng)方法的二倍以上。據(jù)統(tǒng)計，超聲波在65 70oC 工作效率非常高。而溫度在 65oC 度內(nèi)中草藥植物的有效成份基本沒有受到破 壞。加入超聲波后(在 65 度條件下)，植物有效成份提取時間約 40 分鐘。 而蒸煮法的蒸煮時 間往往需要兩到三小時，是超聲波提取時間的 3 倍以上 時間。每罐提取 3次，基本上可提取有效成份的 90%以上。(4)具有廣譜性。 適用性廣，絕大多數(shù)的中藥材各類成份均可超聲萃取。( 5)超聲波萃取對溶劑和目標萃取物的性質(zhì)(如極性)

43、關(guān)系不大。因此，可供選擇的萃取溶劑種 類多、目標萃取物范圍廣泛。 ( 6)減少能耗。由于超聲萃取無需加熱或加熱 溫度低，萃取時間短，因此大大降低能耗。 ( 7)藥材原料處理量大，成倍或 數(shù)倍提高，且雜質(zhì)少，有效成分易于分離、凈化。( 8)萃取工藝成本低，綜合經(jīng)濟效益顯著。3.5 超聲清洗超聲波在液體中傳播能夠形成空化作用，用來清洗物件特別實用。3.5.1 超聲清洗的原理超聲波清洗主要是利用超聲波在液體中的空化作用。 超聲波在液體傳播 過程中, 當其聲波壓強達到一個大氣壓時 , 超聲波的功率密度約為 0.35W/cm2, 這時在液體中傳播的超聲波的聲波壓強峰值在液體中會產(chǎn)生一個很大的力 , 將液

44、體拉裂成空洞 （ 空化核）, 此空洞為真空或非常接近真空。在信號電壓值 （ 或超聲波壓強 ） 下一個半周達到最大時 , 由于周圍的壓力的增大而被壓碎 , 這些無數(shù)細小而密集的氣泡破裂時產(chǎn)生沖擊波的現(xiàn)象被稱之為 “空化”作用 , 空化泡崩潰時 , 在極短的時間和極小的空間內(nèi) , 形成局部熱點 , 可產(chǎn)生高達 5000 K的高溫和108Pa的高壓,溫度變化率高達109K/S,并伴隨有強烈的沖 擊波和時速達400km的射流12。在此作用下，液體分子激烈碰撞產(chǎn)生非常強 大的沖擊力 , 將被清洗物體表面的污物撞擊下來。空化作用也在固體與液體 的交界處產(chǎn)生一種剪切力 , 也使污垢脫落 , 因而兩種力的作用

45、下 , 對于浸入超 聲波作用下的液體中的物體外表面具有超乎尋常的清洗作用。另外 , 由于超 聲波具有很強的穿透固體的作用 ,所以這種“空化”作用對浸入超聲波作用 下的液體中物體 （如管件）內(nèi)表面也能得到一定程度的清洗 ,這是超聲波清洗 優(yōu)于其它清洗手段的重要方面。3.5.2 影響清洗的因素1. 超聲波頻率：超聲波頻率越低，在液體中產(chǎn)生空化越容易，作用也越 強。頻率高則超聲波方向性強，適合于精細物體的清洗。根據(jù)頻率不同，聲 強一般選在 1 2w/cm 左右。2. 功率密度：超聲波的功率密度越高，空化效果越強，速度越快，清洗 效果越好。但對于精密的、表面光潔度甚高的工件，采用長時間的高功率密 度清

46、洗會對物體表面產(chǎn)生“空化”腐蝕。3. 清洗介質(zhì)：采用超聲波清洗，一般有兩種清洗劑：化學溶劑和水基清 洗劑。清洗介質(zhì)的化學作用， 加上超聲波清洗的物理作用， 兩種作用相結(jié)合， 以對物體進行充分，徹底的清洗。4. 清洗溫度：一般來說，超聲波在30C40C時空化效果最好。清洗劑 是溫度越高，作用越顯著。但隨著液溫的上升，液體中生存的氣泡會遮斷聲波，使超聲波減弱。通常實際應(yīng)用超聲波清洗時，采用40C60C的工作溫 度。5. 工作放置方式：因為將清洗物置于駐波壓力最大的位置，可獲得最佳 的清洗效果，所以工件在清洗槽內(nèi)上下、左右緩慢的擺動，則清洗越均勻、 徹底，清洗效果越好。3.6 超聲波在軍事中的應(yīng)用超

47、聲波在軍事中的應(yīng)用主要運用超聲波方向性好的特性。 由于超聲波基 本上是沿直線傳播的，可以定向發(fā)射，如果漁船載有水下超聲波發(fā)生器，它 旋轉(zhuǎn)著向各個方向發(fā)射超聲波，當超聲波遇到魚群時會反射回來，漁船探測 到反射波就知道魚群的位置了，這種儀器叫聲納 13 。它也可以用來探測水中 的暗礁和敵人的潛艇以及測量海水的深度。在現(xiàn)代高科技中，雖然雷達的應(yīng) 用很廣，但在水中依然采用聲納技術(shù)，這主要是因為海水有良好的導電性， 對電磁波的吸收能力很強，雷達無法探測水下作戰(zhàn)目標的方位和距離，超聲 波在空氣中衰減較快，而在固體、液體中的衰減卻很小，這正好與電磁波相 反，在這種情況下， 聲納技術(shù)可以發(fā)揮巨大的威力。 由于

48、海水吸熱能力太強， 使紅外線技術(shù)無用武之地；又由于水的透光能力差，吸收光能力很強，故光 學設(shè)備如望遠鏡也使用不上。因此，聲納技術(shù)在特殊領(lǐng)域中占有不可取代的 地位。3.7 超聲波技術(shù)在納米材料制備中的應(yīng)用納米材料是納米科學中的一個重要研究發(fā)展方向， 在越來越多的領(lǐng)域中 受到重視，成為材料科學研究的熱點。近年來，聲空化作用引起的特殊物理 和化學環(huán)境為科學家制備納米材料提供了新的途徑， 聲空化方法正成為制備 具有特殊性能材料的一種新技術(shù)，這其中包括超聲化學法、超聲霧化法等。 這些方法的出現(xiàn)，擴展了納米材料的制備技術(shù)，為納米科學技術(shù)注入了新的 活力。著名聲化學家 Suslick 的研究小組 【14】在

49、納米結(jié)構(gòu)材料的制備和合成方 面做了大量的工作，如在 0C時用超聲輻照Fe(C0)3的癸烷溶液時可產(chǎn)生暗 黑色的鐵粉末。經(jīng)元素分析知 , 粉末中鐵的質(zhì)量分數(shù)為 96%以上；掃描電鏡 (SEM)和透射電鏡(TEM)的結(jié)果證實，這種材料是由粒徑 4nm6nm的粒子組 成的聚集體；磁性研究表明，這是一種非常軟的鐵磁性材料，居里溫度高達 580K。王建等人以無水四氯化錫為原料，在超聲波的作用下，用溶膠凝膠法制得納米SnO,并運用TEM和XRD寸其結(jié)構(gòu)進行了表征。在適當?shù)臈l件下 制得的納米SnO粉末平均粒徑為20nm顆粒為球形，粒徑均勻，流動性能 好，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為四方晶系錫石結(jié)構(gòu)，純度 95%以上，超聲波在

50、控制粒徑大小 和防止團聚方面起到了很好的作用。林金谷等以溶于十氫萘的碳基鐵Fe(CO)5 和六碳基鉻 Cr(CO)6 溶液注入一套專門設(shè)計的超聲微粒制備裝置， 在 超聲功率120W 頻率20kHz下分解3.5h，得到粒徑17nm28nm的Fe Cr合 金納米粉末。王菊香等開發(fā)出制備納米粉末的超聲電解法，通過控制溶液濃 度、超聲功率、電解條件和電流密度等得到10nm以下的銅和鎳粉。該方法具有工藝簡單、成本低和無毒、無污染等特點，是制備超細金屬粉末的一種 新方法。陳雪梅等首次將超聲波法運用于沉淀法制備納米Al2O3 粉體，利用超聲輻射工藝制得粒徑為12nm的AI2Q粉體。結(jié)果表明，超聲輻射通過對液

51、 體介質(zhì)的空化作用而有效地細化了前驅(qū)體NHAI(OH)2CO沉淀顆粒，抑制了前驅(qū)體顆粒的聚焦，超聲輻射延緩了前驅(qū)體向凝膠轉(zhuǎn)化過程，得到含較小包裹 水和結(jié)合水的三維疏松網(wǎng)絡(luò)狀骨架結(jié)構(gòu)的凝膠。3.8 超聲波在醫(yī)療方面的應(yīng)用醫(yī)學上最早利用超聲波是在 1942 年，奧地利醫(yī)生杜西克首次用超聲技 術(shù)掃描腦部結(jié)構(gòu)；以后到了 60 年代醫(yī)生們開始將超聲波應(yīng)用于腹部器官的 探測【14】。如今超聲波掃描技術(shù)已成為現(xiàn)代醫(yī)學診斷不可缺少的工具。醫(yī)學超聲波檢查的工作原理與聲納有一定的相似性， 即將超聲波發(fā)射到 人體內(nèi)，當它在體內(nèi)遇到界面時會發(fā)生反射及折射，并且在人體組織中可能 被吸收而衰減。因為人體各種組織的形態(tài)與結(jié)構(gòu)是不相同的，因此其反射與 折射以及吸收超聲波的程度也就不同，醫(yī)生們正是通過儀器所反映出的波 型、曲線，或影象的特征來辨別它們。此外再結(jié)合解剖學知識、正常與病理 的改變，便可診斷所檢查的器官是否有病。目前，醫(yī)生們應(yīng)用的超聲診斷方法有不同的形式，可分為A型、B型、M型及D型四大類15。A 型：是以波形來顯示組織特征的方法，主要用于測量器官的徑線，以 判定其大小?？捎脕龛b別病變組織的一些物理特性，如實質(zhì)性、液體或