超聲波技術及應用課件

超聲波原理及應用廣州市番禺奧迪威電子有限公司超聲波原理及應用廣州市番禺奧迪威電子有限公司1目錄超聲波簡介壓電陶瓷簡介目錄超聲波簡介2自然界中的超聲波自然界中的超聲波3超聲波的類型縱波橫波表面波板波超聲波的類型縱波4表面波表面波主要是指沿介質(zhì)表面?zhèn)鬟f，而介質(zhì)的質(zhì)點沿橢圓形軌跡振動的波。表面波是一種瑞利波。表面波表面波主要是指沿介質(zhì)表面?zhèn)鬟f，而介質(zhì)的質(zhì)點沿橢圓形軌跡5板波在板厚與波長相當?shù)谋“逯袀鞑サ牟ā８鶕?jù)質(zhì)點的振動方向不同可將板波分為SH波和蘭姆波。SH波：水平偏振的橫波在薄板中傳播的波。薄板中各質(zhì)點的振動方向平行于板面而垂直于波的傳播方向，相當于固體介質(zhì)表面中的橫波。蘭姆波：蘭姆波又分為對稱型和非對稱型。對稱型蘭姆波的特點是薄板中心質(zhì)點作縱向振動，上下表面質(zhì)點作橢圓運動、振動相位相反并對稱于中心。非對稱型蘭姆波特點是薄板中心質(zhì)點作橫向振動，上下表面質(zhì)點作橢圓運動、相位相同。板波在板厚與波長相當?shù)谋“逯袀鞑サ牟ā?超聲波技術及應用ppt課件7超聲波的特點（1）超聲波可以在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播超聲波可以攜帶較多的能量超聲波的傳播具有方向性超聲波在界面上會產(chǎn)生折射和反射，而且可能會改變振動模式。超聲波在液體中可以產(chǎn)生空化效應超聲波具有多普勒效應超聲波的特點（1）超聲波可以在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)8超聲波的特點（2）容易衰減（在液體和固體中衰減較?。﹤鞑ニ俣仁軠囟扔绊懺趦煞N不同介質(zhì)的界面處反射強烈，在許多場合必須使用耦合劑或匹配材料。超聲波可以聚焦。超聲波的特點（2）容易衰減（在液體和固體中衰減較?。?超聲波的產(chǎn)生機制電磁振動磁致伸縮效應壓電效應靜電引力其它形式的機械振動超聲波的產(chǎn)生機制電磁振動10超聲波效應機械效效應：清洗、加工、拋光聲學效應：超聲波探測熱效應：超聲波焊接空化效應：乳化、霧化化學效應：例如純的蒸餾水經(jīng)超聲處理后產(chǎn)生過氧化氫；溶有氮氣的水經(jīng)超聲處理后產(chǎn)生亞硝酸；染料的水溶液經(jīng)超聲處理后會變色或退色。生物效應：加快植物種子發(fā)芽超聲波效應機械效效應：清洗、加工、拋光11超聲波的相關術語聲場發(fā)射角聲阻抗聲匹配衰減系數(shù)超聲波的相關術語聲場12聲場聲場13發(fā)射角超聲波的傳播具有方向性，發(fā)射角與波長和換能片尺寸相關。頻率越高、直徑越大波束角越小。發(fā)射角超聲波的傳播具有方向性，14聲阻抗超聲場中任一點的聲壓與該處質(zhì)點振動速度之比稱為聲阻抗，常用Z表示。Z=p/u=ρcu/u=ρc超聲波在兩種介質(zhì)組成的界面上的反射和透射情況與兩種介質(zhì)的聲阻抗密切相關。聲阻抗超聲場中任一點的聲壓與該處質(zhì)點振動速度之比稱為聲阻抗，15聲匹配當超聲波透過兩種不同的介質(zhì)傳播時，由于兩種介質(zhì)的聲阻抗不同，會在界面處形成反射，從而影響超聲波的傳遞。為了提高超聲波的傳遞效果，實踐上常用的方法是在兩種介質(zhì)中間增加一個匹配層。固態(tài)的的匹配材料一般叫匹配層，液態(tài)的一般稱為耦合劑。聲匹配公式：聲匹配當超聲波透過兩種不同的介質(zhì)傳播時，由于兩種介質(zhì)的聲阻抗16超聲波的強度（能流密度）I能流密度，波的強度，瓦/平方米w能量密度，單位焦耳/立方米v速度A振幅f頻率超聲波的強度（能流密度）I能流密度，波的強度，瓦/平方米17衰減系數(shù)超聲波在介質(zhì)中傳播會發(fā)生衰減。主要有擴散衰減、散射衰減和吸收衰減。通常所說的衰減包括散射衰減和吸收衰減，不包括擴散衰減。以平面波為例，其聲壓衰減方程為聲壓以指數(shù)形式衰減，相應的系數(shù)被稱為衰減系數(shù)。衰減系數(shù)超聲波在介質(zhì)中傳播會發(fā)生衰減。主要有擴散衰減、散射衰18超聲波的應用測量：距離、流速、流量、厚度探測：超聲測距、安防探測、醫(yī)學成像、無損探測、水下聲納、地質(zhì)勘探、管道檢漏、觸摸屏霧化：加濕、盆景、園藝、消毒、空化：煉油、乳化清洗：珠寶、首飾、精密零件加工：磨削、鉆孔、拋光、焊接美容：按摩、潔齒醫(yī)療：結石破碎、醫(yī)學成像、呼吸醫(yī)療馬達：相機鏡頭、微位移控制生物：促進種子發(fā)芽化學：加快酒類醇化、加快化學反應速度超聲波的應用測量：距離、流速、流量、厚度19超聲波線纜測高儀超聲波線纜測高儀20倒車雷達倒車雷達21超聲波霧化器超聲波霧化器22超聲波霧化器超聲波霧化器23塑料點焊機頻率：28KHZ功率：300W塑料點焊機頻率：28KHZ24超聲波焊接機超聲波焊接機25多頻聲化學發(fā)生器多頻聲化學發(fā)生器26超聲波驅(qū)蟲器超聲波驅(qū)蟲器27超聲波圓筒式分散儀超聲波圓筒式分散儀28超聲馬達超聲馬達29涂層測厚儀美國DeFelsko公司技術參數(shù):測量范圍:25-1000μm分辨率:2μm精度:±(2μm+3%的讀數(shù))測量速率:45個讀數(shù)/秒涂層測厚儀美國DeFelsko公司30超聲探傷儀德國Krautkramer[K.K]公司超聲探傷儀德國Krautkramer[K.K]公司31醫(yī)學超聲成像醫(yī)學超聲成像32線陣聲納德國基元數(shù):3X96,基陣長：48米線陣聲納德國33小結超聲波最大的特點就是可以以振動的方式傳遞能量而不影響人類的聽覺。超聲波的利用主要體現(xiàn)在三個方面，一是微幅高頻振動的利用，二是能量傳遞效果的利用，三是超聲信號的利用。具體地說，就是超聲馬達、超聲換能和超聲傳感。目前的大部分超聲波應用都可以歸結到這三個類別里面。小結超聲波最大的特點就是可以以振動的方式傳遞能量而不影響人類34壓電陶瓷壓電材料壓電發(fā)展歷史壓電材料簡介常見的壓電材料壓電材料的性能參數(shù)壓電材料應用壓電陶瓷壓電材料35自然界中的壓電材料——石英自然界中的壓電材料——石英36壓電陶瓷壓電陶瓷37高分子壓電材料（壓電薄膜）高分子壓電材料（壓電薄膜）38壓電陶瓷歷史1880年法國的P.Curie和J.Curie兄弟在研究熱電性與晶體對稱性的關系時發(fā)現(xiàn)了正壓電效應這一物理現(xiàn)象，他們所報導的這些晶體中就有后來廣為研究的羅息鹽(NaKC4H4O6.4H2O—酒石酸鉀鈉)。1881年李普曼(G.Lippman)根據(jù)能量守恒和電荷量守恒的原理，推測逆壓電效應(Conversepiezoelectriceffect)的存在，這一預言很快就被居里兄弟用實驗所證實。后來發(fā)現(xiàn)了磷酸二氫鉀、硫酸鋰單水化合物和BaTiO3等重要壓電晶體。壓電陶瓷歷史1880年法國的P.Curie和J.Curi391916年朗之萬(Langevin)用壓電石英晶體作成水下發(fā)射和接收換能器，這是最早的壓電換能器，并用于探測水下的物體。1918年卡迪（Cady）研究了羅息鹽晶體在機械諧振頻率特有的電性能，導致羅息鹽電聲組件問世。1921年相繼研制成功石英諧振器和濾波器，開創(chuàng)了壓電效應在穩(wěn)頻、計時和電子技術方面的應用。壓電陶瓷歷史1916年朗之萬(Langevin)用壓電石英晶體作成水下401947年

采用BaTiO3壓電陶瓷制成了拾音器，這對壓電材料的應用具有重大意義，極大地刺激了壓電陶瓷材料的研究與應用開發(fā)。1969年

發(fā)現(xiàn)聚偏氟乙烯薄膜制程的駐極體具有優(yōu)良的壓電性后，聚合物駐極體的研究和應用迅速發(fā)展起來。

壓電陶瓷歷史1947年

采用BaTiO3壓電陶瓷制成了拾音器，這對壓電41常見的壓電陶瓷材料1、鈦酸鋇（BaTiO3）壓電陶瓷具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，機械強度不如石英。2、鋯鈦酸鉛Pb（Zr·Ti）O3系壓電陶瓷（PZT）壓電系數(shù)較高，各項機電參數(shù)隨溫度、時間等外界條件的變化小，在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元素，可以獲得不同性能的PZT材料。3、鈮鎂酸鉛Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3壓電陶瓷（PMN）具有較高的壓電系數(shù)，在壓力大至700kg/cm2仍能繼續(xù)工作，可作為高溫下的力傳感器。常見的壓電陶瓷材料1、鈦酸鋇（BaTiO3）壓電陶瓷具有較高42壓電原理石英的晶體結構(b)(a)++---YXXY硅氧離子的排列示意圖(a)硅氧離子在Z平面上的投影（b）等效為正六邊形排列的投影+壓電原理石英的晶體結構(b)(a)++---YXXY硅氧離子43石英的壓電機制石英的壓電機制44壓電陶瓷的極化直流電場E剩余極化強度剩余伸長電場作用下的伸長(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后

壓電陶瓷的極化直流電場E剩余極化強度剩余伸長電場作用下的伸長45極化后的壓電陶瓷－－－－－

－－－－－

＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極電極極化方向陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖極化后的壓電陶瓷－－－－－－－－－－＋46壓電效應壓電效應逆壓電效應壓電效應壓電效應逆壓電效應47壓電陶瓷等效模擬電路并聯(lián)模擬電路串聯(lián)模擬電路壓電陶瓷等效模擬電路并聯(lián)模擬電路48壓電應變常數(shù)d33:表示在壓電晶體上施加單位電壓時所產(chǎn)生的應變大小。

壓電電壓常數(shù)g33：表示作用在壓電晶體上單位應力所產(chǎn)生的電壓梯度大小。

壓電材料的主要性能參數(shù)壓電應變常數(shù)d33:壓電材料的主要性能參數(shù)49壓電材料的主要性能參數(shù)介電常數(shù)ε:機電耦合系數(shù)K:表示壓電材料機械能(聲能)與電能之間的轉(zhuǎn)換效率。機械品質(zhì)因子Qm:

壓電晶片在諧振時貯存的機械能E貯與在一個周期內(nèi)損耗的能量E損之比稱為機械品質(zhì)因子Qm。壓電材料的主要性能參數(shù)介電常數(shù)ε:50頻率常數(shù)Nt:壓電晶片的厚度與固有頻率的乘積是一個常數(shù)，這個常數(shù)叫做頻率常數(shù)。居里溫度Tc：使壓電材料的壓電效應消失的溫度。壓電材料的主要性能參數(shù)頻率常數(shù)Nt:壓電材料的主要性能參數(shù)51壓電材料的主要特性轉(zhuǎn)換性能：要求具有較大的壓電常數(shù)。機械性能：機械強度高、剛度大。電性能：高電阻率和大介電常數(shù)。環(huán)境適應性：溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。時間穩(wěn)定性：要求壓電性能不隨時間變化。壓電材料的主要特性轉(zhuǎn)換性能：要求具有較大的壓電常數(shù)。52壓電材料應用壓電陶瓷按照應用分類共分為七大類：壓電振蕩器及材料壓電聲電組件：蜂鳴器、送話器、受話器、壓電喇叭壓電超音波換能器：超音波清洗、超音波霧化、超音波美容、超音波探測信息處理組件：濾波器、諧振器、檢波器、監(jiān)頻器、表面聲波、延遲線動力裝置：點火器、超音波切割、超音波粘接、壓電馬達、壓電變壓器壓電傳感器：速度、加速度計、角速度計、微位移器光電組件：光調(diào)節(jié)器、光調(diào)節(jié)閥、光電顯示、光信息儲存、影象儲存和顯示目前市場容量最大的組件是頻率組件，主要包括濾波器和諧振器。壓電材料應用壓電陶瓷按照應用分類共分為七大類：53奧迪威公司壓電蜂鳴片奧迪威公司壓電蜂鳴片54電聲元件電聲元件55開放式超