超声波的原理及其应用
超声波的原理及其应用
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摘要......................................... 错误！未定义书签。
1. 绪论 (25)
2.超声波的基本原理 (26)
2.1什么是超声波 (26)
2.2波的传播 (26)
2.3超声波传播的特点 (32)
3.超声波的应用 (32)
3.1超声波传感器 (33)
3.2超声波测距 (34)
3.3超声波测量流量 (36)
3.4超声波提取技术 (39)
3.5超声清洗 (40)
3.6超声波在军事中的应用 (42)
3.7超声波技术在纳米材料制备中的应用 (42)
3.8超声波在医疗方面的应用 (43)
4. 后记 (44)
5. 致谢........................................ 错误！未定义书签。参考文献. (44)
湖北师范学院学士学位论文评审表................. 错误！未定义书签。
超声波的原理及其应用
1. 绪论
早在1830年，F·Savart曾用齿轮，第一次产生4
10
4.2?HZ的超声，1876年F·Galton用气哨产生4
3?Hz 的超声。1912年4月10日，泰坦尼克号
10
触冰山沉没，引起科学界注意，希望可以探测到水下的冰山。直到第一次世界大战中，德国大量使用潜艇，击沉了协约国大量舰船，探测潜艇的任务又提到科学家的面前[1]。当时的科学家郎之万和他的朋友利用当时已出现的功率很大的放大器和石英压电晶体结合起来，能向水下发射几十千赫兹的超声波，成功的将超声波应用到实际中。
我国解放前超声研究是个空白，超声学的研究始于1956年的12年科学规划。1959年超声应用（探伤、加工、种子处理、显示、医疗、粉碎、乳化及染料等）取得了进展。在基础研究反面也有相当深度，如棒的声振动、超声乳化和水中气泡的超声吸收问题；建立了分子声学试验设备，对弛豫吸收、悬浮体的声吸收进行了系列研究；建立了固体中超声衰减的测量设备；对粘弹性和可压缩流体的声速和衰减进行了深入研究。1965年开始研究了声表面波换能器。进入80年代，我国超声学面向实际应用。B超医疗开始投入生产；超声加工、超声研磨、超声焊接、超声清洗、超声催化与滤矿及超声技术育种等逐步开始形成一定规模的产业。压电复合换能器研制成功，窄脉冲短余振探头问世；PVDF新颖压电薄膜换能器及超声显微镜获得实用；高频压电材料LiNbO3研制成功和走向实用[2]。九十年代以来，在中国科学院声学研究所与南京大学声学研究所相继批准建立了国家级重点实验室。总之，我国的超声学研究过的巨大的发展，有些方面已达到国际先进水平。
超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的、各行各业都要遇上的通用技术之一。在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运行，降低生产成本，提高生产效率特别具有潜在能力。因此，我国近十年来，对超声技术的应用研究十分活跃，涉及的应用范围非常广泛。但归纳起来，也无非是两大类：第一类是超声加工和处理技术；第二类就是超声检测与控制技术[3]，其他的超声理论和实验，实际上都是为这两类应用服务的。
超声加工和处理技术是利用高强度的超声波来改变物质的性质和状态
的技术。超声钻孔、清洗、焊接、粉碎、凝聚、萃取、催化等都是这类技术中的典型应用。
超声检测与控制技术是利用较弱的超声波来进行各种检验和测量，必要时可以进行自动控制的技术。在检验技术方面，最典型的应用就是超声探伤和超声检漏等。在测量技术方面，媒质的许多非声学特性和媒质的某些状态参量都可以用超声方法来加以测定。
而不论是超声加工处理技术还是超声检测与控制技术，都要涉及到超声波的产生和检收，这就是所谓的超声换能技术。但不论是超声波的应用或超声换能器的设计都要涉及到超声波的传播理论；也都要用到超声波的某些效应和作用；而为了定量的进行研究就脱不开超声量的测量问题。因此这三方面内容就成为超声学理论和实验的基础。超声应用的发展促进了这些基本问题的研究，而这些基本问题方面的成就又进一步指导了超声应用技术的发展。
超声波的应用十分广泛，不光是工业，在医疗，军事等其他众多方面的应用文中也给以总结，概括。
2.超声波的基本原理
超声波的基本原理是其应用的基础，只有在了解其原理的基础上才能更好的应用超声波，促进超声波的发展，下面就对其原理作简要介绍。
2.1什么是超声波
所谓超声波，是指人耳听不见的声波。正常人的听觉可以听到20赫兹（Hz）-20千赫兹（kHz）的声波，低于20赫兹的声波称为次声波或亚声波，超过20千赫兹的声波称为超声波[4]。超声波是声波大家族中的一员，和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内传播，是一种能量和动量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。
2.2波的传播
超声波是波的一种，他的传播完全符合波的传播特点。所以超声波在介质中传播的波形取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质激发超声波。通常有如下三种波形[5]:
纵波波形：当媒质中各体元振动的方向与波传播的方向平行时，此超声波为纵波波形。任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。
横波波形：当媒质中各体元振动的方向与波传播的方向垂直时，此种超声波为横波波形。由于媒质除了能承受体积变形外，还能承受切变变形，因此，当其有剪切应力交替作用于媒质时均能产生横波。横波只能在固体介质中传播。
表面波波形：是沿着两种媒质的界面传播的具有纵波和横波的双重性质的波。表面波可以看成是由平行于表面的纵波和垂直于表面的横波合成, 振动质点的轨迹为一椭圆，在距表面1/4波长深处振幅最强，随着深度的增加很快衰减，实际上离表面一个波长以上的地方，质点振动的振幅已经很微弱了。
2.2.1平面简谐波方程
平面波传播时，若媒质中体元均按余弦（或正弦）规律运动，叫平面简谐波。这是最基本的波动形式，一些复杂的波可视为平面简谐波的叠加。
平面简谐波方程定量的描述出每个体元的运动学状态，解决平面简谐波的运动学问题。
设平面简谐波沿x 轴传播，y 为体元距平衡位置的位移，则：
)(cos )(cos x vt k A v
x t A y ==ω (2.1) πνπω2/2==T (2.2)
式中，A 为振幅，ω为圆频率,取决于波源频率ν。λπω2==v
k ,常称为波数。
2.2.2平面简谐波波动方程
要深刻了解超声波，仅从运动学角度研究还不够，也要对波作动力学分析才能看到波传播的机制并能进一步研究超声波[4]。下面简单介绍下波动方程与波速。
(1) 波动方程
横波的波动方程：
2222y N y t x ρ??=?? (2.3)
式中N 为剪切模量，ρ为媒质密度。
纵波的波动方程:
2222y Y y t x ρ??=?? (2.4)
式中Y 为杨氏模量
(2)波速
对式（2.1）做偏导数运算，并带入式（2.3）可得横波的波速：
v =横 (2.5)
同理可得
v 纵流体中纵波的波速为
v =纵式中K 为流体的体变模量，且与热过程有关
2.2.3平均能流密度，声强与声压
媒质中波的能量分布包括动能和势能，都会参与能量转换，单位体积媒质所具有的能量叫能量密度，表示媒质中能量的分布情况，其表达式为
222sin ()dE x A t dV v ερωω==- (2.8)
能量密度在一周期内的平均值即平均能量密度，又因正弦函数平方在一周期内的平均值为
12，故： 22222
011sin ()2T x A t dt A T v ερωωρω=-=? (2.9)
对于一定媒质，各点能量密度对时间的平均值和角频率平方与振幅平方成正比。
而平均能流密度则是矢量，大小为单位时间内通过与波传播方向垂直的单位面积的能量，方向沿波的传播方向，其大小也叫声强，为
2212I v A v ερω== (2.10) 声强对面积积分，则得到声功率，单位为瓦（W ）普通声波的声功率通常很小，1000万人同时说话，也只有100W 的功率。但超声波的声功率却很大，可以被广泛应用。
在有声波传播的空间，某一点在某一瞬时的压强p 与没有声波时压强0p 的差，叫作该点处瞬时的声压，与体元速度有密切联系【4】。
0dp p p =- (2.11)
若波沿x 轴传播，声压与体元速度关系可用如下的声压波方程表示
cos 2x p A v πρνμρνωωτ????==-+ ????
??? （2.12) max p A ρνω=即声压幅；
若波逆x 轴传播，声压波方程为p ρνμ=-，将p 和μ分别对比于电压和电流，ρν相当于电阻，称为波阻或声阻，记作Z ρν=。
另外，声波传播时，能流密度和声压幅将衰减。球面波因波射线发散而波面增大，有限能流在越来越大的面积上分布，故声强声压幅均衰减。另一方面，即使对平面波，部分能量也会被媒质吸收，转变为热运动能量，声强亦逐步衰减，如下式所示：
d
d I I
e α-= （2.13）
式中I 表示入射初始声强，d I 为深如媒质d 距离处的声强，α为衰减系数，与波的频率以及媒质性质有关频率越高，衰减得越厉害，传播的距离也越短。而水中超声波的衰减系数比在空气中小得多，与电磁波刚好相反，更兼超声波波长短，根据中学知识波长越短，直进性强，遇障碍物时易形成反射，可用于在水中探测或搜索鱼群，探测海深以至搜索水雷和潜艇等军事目标。而且超声波在软组织和肌肉中衰减系数也较小，故可用于探测体内病变。
2.2.4波的反射、折射以及驻波
一列波从媒质1垂直入射媒质2在边界上形成反射和折射。
当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质，称为反射波；另一部分能量透射过界面，在另一个介质
内部继续传播，称为折射波，为描述反射和折射现象，我们引如r 和p 分别表示反射和折射系数，r 和p 均与媒质1和2的波阻或声阻1z 和2z 有关，反射系数为2
1212z z r z z ??-= ?+??，另外，p =1-r 。由此可见，两媒质波阻相差不多，则
主要是透射；两媒质波阻相差悬殊，主要是反射。
如图2.2所示。图中L 为入射波，S 1为反射横波，L 1为反射纵波，L 2为折射纵波，S 2为折射横波。
图2.2
这些物理现象均遵守反射定律、折射定律。除了有纵波的反射波折射波以外，还有横波的反射和折射，并且在一定条件下还能产生表面波。
2.2.5波的叠加和干涉
两列波互相独立的传播，在两列波的相遇处体元的位移等于各列波单独传播时在该处引起的位移的矢量和，叫作波的叠加原理[4]。
若两列波满足一定条件，则两波相遇时各空间点的合振动能各自保持恒定振幅而不同位置各点以大小不同的合振幅振动，叫作波的干涉。当两列波振动方向相同、频率相同且在各空间点保持固定的相位差，才能实现干涉现象所要求的空间各点震动的强弱具有确定的分布。形成波的干涉现象的两列波叫作相干波，形成波的干涉的条件叫作相干条件。
振幅相同、而传播方向相反的两列简谐相干波叠加得到的振动称为驻波。其方程为：
2(2cos )cos y A x t π
ωλ= (2.14)
超声波清洗中，常使用超声波在清洗槽内形成驻波，以引起各种本征振
荡，达到清洗目的。
2.2.6多普勒效应
之前说的都是声源、观察者以及媒质是相对静止的情况，但许多情况下，他们之间都会发生相对运动，这样接收到的频率会与声源的发射频率有所不同，这一现象常称为多普勒效应，多用于超声波测流量的技术中。
声音传播过程中，波速v 与波源振动的频率υ以及波长λ之间的关系为
λυv
= （2.15）
而观察者观测到的波速v '与观测到的波长λ'以及观测频率υ'之间的关系为： λυ'
'='v （2.16） 如果声源和媒质静止，观察者以速率0v 运动，则观察者接收到的频率υ'为：
)1(0v v ±
='υυ （2.17） 如果观察者和媒质静止，声源以速率s v 运动，则观察者接收到的频率υ'为：
υυs v v v =
' （2.18） 如果只有媒质静止，则是以上两种情况的综合：
υυs
v v v v 0±=' （2.19） 最后，如果媒质也以速度x v 运动，以地面为参考系，则声波相对于地面的速度就成为x v v +，由此得到：
υυs x x v v v v v v +±+=
'0 这里的公式中，都认为速度是在从声源到观察者的连线方向上的，遇到速度方向不在一条直线上时，只需要将速度对声源和观察者之间的连线进行投影，再进行计算即可。
2.3超声波传播的特点
总的来说与可闻波相比,超声波由于频率高、波长短,在传播过程中具有许多其特有的性质:
1)方向性好。由于超声波的频率高,其波长较同样介质中的声波波长短得多,衍射现象不明显,所以超声波的传播方向好。
2)能量大。超声波在介质中传播,当振幅相同时,振动频率越高能量越大。因此,它比普通声波具有大得多的能量。
3)穿透能力强。超声波虽然在气体中衰减很强,但在固体和液体中衰减较弱。在不透明的固体中,超声波能够穿透几十米的厚度,所以超声波在固体和液体中应用较广。
4)引起空化作用。在液体中传播时,超声波与声波一样是一种疏密的振动波,液体时而受拉时而逐级压,产生近于真空或含少量气体的空穴。在声波压缩阶段,空穴被压缩直至崩溃。在空穴崩溃时产生放电和发光现象,这种现象称为空化作用。
也正是这些特点，使得超声波在工业、农业、医学、军事等众多方面都有着及其广泛的应用。
3.超声波的应用
超声波在工农业生产中有极其广泛的应用。包括超声波检测、超声波探伤、功率超声、超声波处理、超声波诊断、超声波治疗等。超声波在工业中可用来对材料进行检测和探伤，可以测量气体、液体和固体的物理参数，可以测量厚度、液面高度、流量、粘度和硬度等，还可以对材料的焊缝、粘接等进行检查。超声波清洗和加工处理可以应用于切割、焊接、喷雾、乳化、电镀等工艺过程中。超声波清洗是一种高效率的方法，已经用于尖端和精密工业。大功率超声可用于机械加工，使超声波在拉管、拉丝、挤压和铆接等工艺中得到应用。应用在医学中的超声波诊断发展甚快，已经成为医学上三大影象诊断方法之一，与X线、同位素分别应用于不同场合，例如超声波理疗、超声波诊断、肿瘤治疗和结石粉碎等。在农业中，可以用超声波对有机体细胞的杀伤的特性来进行消毒灭菌，对作物种子进行超声波处理，有利于种子发芽和作物增产。此外超声波的液体处理和净化可应用于环境保护中，例如超声波水处理、燃油乳化、大气除尘等。微波超声的重点放在微波电子
器件，已经制成了超声波延迟线、声电放大器、声电滤波器、脉冲压缩滤波器等。
下面，就对超声波的几个典型应用加以描述。
3.1超声波传感器
由于许多仪器及控制应用中均涉及到超声波传感器，尤其是在流量测量，材料无损检验及物位测量等方面，超声波传感器的应用尤为普遍。所以，在此首先简要的介绍一下超声波传感器。
广义上来讲，它是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件，又称为超声波换能器或者超声波探头。
超声波传感器分为发射换能器和接收换能器，既能发射超声波又能接受发射出去的超声波的回波。发射换能器利用压电元件的逆压电效应，而接收换能器则是利用压电效应。超声换能器的种类很多，按照其结构可分为直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头、双探头(一个发射，一个接收)、聚焦探头(将声波聚集成一束)、水浸探头(可浸在液体中)以及其它专用探头。按照实现超声换能器机电转换的物理效应的不同可将换能器分为电动式、电磁式、磁致式、压电式和电致伸缩式等。
超声波换能器的材料也有多种选择，某些电介质(例如晶体、陶瓷、高分子聚合物等)在其适应的方向施加作用力时，内部的电极化状态会发生变化，在电介质的某相对两表面内会出现与外力成正比的符号相反的束缚电荷，这种由于外力作用使电介质带电的现象叫做压电效应。相反地，若在电介质上加一外电场，在此电场作用下，电介质内部电极化状态会发生相应的变化，产生与外加电场强度成正比的应变现象，这一现象叫做逆压电效应。压电材料是压电换能器的研制、应用和发展的关键[6]。大致可分为五类：压电单晶体、压电多晶体、压电半导体、压电高分子聚合物、复合压电材料。其中压电陶瓷是压电多晶体材料，这类压电陶瓷为实心，均匀和一体的压电功能材料，具有优良的压电性能。压电陶瓷自问世以来，至今已有30多年历史。无论在材料基础研究方面或是在应用方面，都获得了飞速的发展。由于压电陶瓷的出现，开辟了压电材料的广阔前景，也使压电换能器的理论发展和实际应用提高到一个新的高度。压电陶瓷是当今最有可为的压电材料，
目前在压电材料中无论数量上还是质量上均处于支配地位，其原因是它有如下优点：
(l)所用原材料价廉且易得；
(2)具有非水溶性，遇潮不易损坏；
(3)压电性能优越；
(4)品种繁多，性能各异，可满足不同的设计要求；
(5)机械强度好，易于加工成各种不同的形状和尺寸；
(6)采用不同的形状和不同的电极化轴，可以得到所需的各种振动模式；
(7)制作工艺较简单，生产周期较短，价格适中。
根据不同的实际应用情况，超声波传感器产生不同频率。如应用在流量测量领域，声波的频率在30kHz到5MHz之间；应用在物位测量领域时，声波的频率会低一些，一般在30kHz到200kHz之间；而当应用在检测装置（如测厚仪和探伤检验装置）上时，声波的频率范围很广，但是总体上来说要比用于其它领域时高很多。
3.2超声波测距
超声波因其指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远等特点，而经常用于进行各种测量。如利用超声波在水中的发射，可以测量水深、液位等．利用超声波测距，使用单片机系统，设计合理，计算处理也较方便，测量精度能达到各种场合使用的要求。
3.2.1超声波测距的原理
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。
测距的公式表示为：L=C×T
式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。
超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。
由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需
要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪便能达到毫米级的测量精度[7]。（美国国家半导体公司的LM92温度传感器的温度测试分辨率为0.0625℃，-10℃至+85℃准确度为±1.0℃，I2C总线接口。用89C51的通用I/O端口能很容易的模拟I2C 总线的读写时序，LM92的高精度温度测量能很好的补偿超声波在不同温度的传播速度。）
3.2.2超声波测距误差分析
根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。
1.时间误差
当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20℃室温)，忽略声速的传播误差。测距误差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907ms[7]。
在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。
2.超声波传播速度误差
超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。
已知超声波速度与温度的关系如下：
+0.607×T℃
近似公式为：C=C
式中：C
为零度时的声波速度332m/s； T为实际温度(℃)。
对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如当温度0℃时超声波速度是332m/s, 30℃时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5mm[8]。
3.2.3超声波测液位
超声波液位测量主要是以超声波测距为原理，加上合理的设计，得到液位测距仪，最简单的是测量水位。
如图3.2所示，在离水塔底部高H处，安装设计好的超声波液位计。液位计向水面垂直发出超声波，当超声波遇到水面经液面向上反射到液位计，液位计接收到反射回的超声波时，由单片机CFU算出超声波往返一次所用的时间，即可算出液位计到水面的距离L，液位高度可由公式：h=H-Vt/2算出。其中，V为超声波在空气中的传播速度，t为超声波由液位计到水面往返一次的时间。
图3.2
利用超声波发生器，实现一定频率的振荡是很容易的，并且方法有多种，取液位计与水面的距离为适当的高度，可令超声波发出去后能有效的返回，让接收器收到信号，送到微处理器，经微处理器处理所得的数据，即可算出水位高度。超声波在空气中一般可以实现有效传播，只要外部的环境不是特别的恶劣，所受到的干扰并不是很大，测量结果不会有太大的误差。
3.3超声波测量流量
超声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量。使用超声波流量比不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。
众所周知，目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提高、能损加大、安装不便这些缺点，但超声波流量计均可避免。因为各类超声波流量计均可管外安装、非接触测流，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关，而其它类型的流量计随着口径增加，造价大幅度增加，故口径越大超声波流量计比相同功能其它类型流量计的功能价格比越优越【9】。被认为是较好的大管径流量测量仪表，多普勒法超声波流量计可测双相介质的流量，故可用于下水道及排污水等脏污流的测量。在发电厂中，用便携式超声波流量计测量水轮机进水量、汽轮机循环水量等大管径流量，比过去的皮脱管流速计方便得多。超声被流量汁也可用于气体测量。管径的适用范围从2cm到5m，从几米宽的明渠、暗渠到500m宽的河流都可适用[1]。
另外，超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。另外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的。超声波流量计具有上述一些优点因此它越来越受到重视并且向产品系列化、通用化发展，现已制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不同介质，不同场合和不同管道条件的流量测量。
超声波流量计目前所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能器及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。目前我国只能用于测量200℃以下的流体。另外，超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。这是因为，一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米，而声波在液体中的传播速度约为1500m／s 左右，被测流体流速(流量)变化带给声速的变化量最大也是10－3数量级．若要测量流速的准确度为1％，则对声速的测量准确度需为10-5～10-6数量级[14]，因此必须有完善的测量线路才能实现，这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前题下才能得到实际应用的原因。
超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信
号供给显示和计算仪表进行显示和计算。这样就实现了流量的检测和显示。
超声波流量计常用压电换能器[5]。它利用压电材料的压电效应，采用适出的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振劝。超声波以某一角度射入流体中传播，然后由接收换能器接收，并经压电元件变为电能，以便检测。
超声波流量计换能器的压电元件常做成圆形薄片，沿厚度振动。薄片直径超过厚度的10倍，以保证振动的方向性。压电元件材料多采用锆钛酸铅。为固定压电元件，使超声波以合适的角度射入到流体中，需把元件放入声楔中，构成换能器整体(又称探头)。声楔的材料不仅要求强度高、耐老化，而且要求超声波经声楔后能量损失小即透射系数接近1。常用的声楔材料是有机玻璃，因为它透明，可以观察到声楔中压电元件的组装情况。另外，某些橡胶、塑料及胶木也可作声楔材料[5]。
超声波流量计的电子线路包括发射、接收、信号处理和显示电路。测得的瞬时流量和累积流量值用数字量或模拟量显示。
根据对信号检测的原理，目前超声波流量计大致可分传播速度差法(包括：直接时差法、时差法、相位差法、频差法)波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法等类型[1]。其中以噪声法原理及结构最简单，便于测量和携带，价格便宜但准确度较低，适于在流量测量准确度要求不高的场合使用。由于直接时差法、时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传播时速度之差来反映流体的流速的，故又统称为传播速度差法。其中频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差，准确度较高，所以被广泛采用。按照换能器的配置方法不同，传播速度差法又分为：Z法(透过法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化而产生偏移来反映流体流速的，低流速时，灵敏度很低适用性不大．多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量。相关法是利用相关技术测量流量，原理上，此法的测量准确度与流体中的声速无关，因而与流体温度，浓度等无关，因而测量准确度高，适用范围广。但相关器件价格贵，线路比较复杂。在微处理机普及应用后，这个缺点可以克服。噪声法(听音法)是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理，通过检测噪声表
示流速或流量值。其方法简单，设备价格便宜，但准确度低。
以上几种方法各有特点，应根据被测流体性质．流速分布情况、管路安装地点以及对测量准确度的要求等因素进行选择。一般说来由于工业生产中工质的温度常不能保持恒定，故多采用频差法及时差法。只有在管径很大时才采用直接时差法。对换能器安装方法的选择原则一般是：当流体沿管轴平行流动时，选用Z法；当流动方向与管铀不平行或管路安装地点使换能器安装间隔受到限制时，采用V法或X法。当流量分布不均匀而表前直管段又较短时，也可采用多声道(例如双声道或四声道)来克服流速扰动带来的流量测量误差。多普勒法适于测量两相流，可避免常规仪表由悬浮粒或气泡造成的堵塞、磨损、附着而不能运行的弊病，因而得以迅速发展。随着工业的发展及节能工作的开展，煤油混合(COM)、煤水混合(CWM)燃料的输送和应用以及燃料油加水助燃等节能方法的发展，都为多普勒超声波流量计应用开辟广阔前景。
3.4超声波提取技术
超声波在传递过程中存在着的正负压强交变周期，在正相位时，对介质分子产生挤压，增加介质原来的密度；负相位时，介质分子稀疏、离散，介质密度减小。也就是说，超声波并不能使样品内的分子产生极化，而是在溶剂和样品之间产生声波空化作用，导致溶液内气泡的形成、增长和爆破压缩，从而使固体样品分散，增大样品与萃取溶剂之间的接触面积，提高目标物从固相转移到液相的传质速率[10]。
超声波萃取的原理：超声波萃取的优越性，是基于超声波的特殊物理性质。主要是主要通过压电换能器产生的快速机械振动波来减少目标萃取物与样品基体之间的作用力从而实现固--液萃取分离。具体过程为：（1）加速介质质点运动。高于20 KHz声波频率的超声波的连续介质（例如水）中传播时，根据惠更斯波动原理，在其传播的波阵面上将引起介质质点的运动，使介质质点运动获行巨大的加速度和动能。质点的加速度经计算一般可达重力加速度的二千倍以上。由于介质质点将超声波能量作用于样品基体质点上而使之获得巨大的加速度和动能，使质点迅速逸出而游离于水中。（2）空化作用。超声波在液体介质中传播产生特殊的“空化效应”，“空化效应”不断产生无数内部压力达到上千个大气压的微气穴并不断“爆破”产生微观上的强
大冲击波作用在样品基体上，使目标物质被“轰击”逸出，并使得样品基体被不断剥蚀，其中不属于刚性结构的成分不断被分离出来。加速物质中有效成份的浸出提取。（3）超声波的振动匀化使样品介质内各点受到的作用一致，使整个样品萃取更均匀。
综上所述，在超声波场作用下不但作为介质质点获得自身的巨大加速度和动能，而且通过“空化效应”获得强大的外力冲击，所以能高效率并充分分离出来。
超声波适用于中药材有效成份的萃取，是中药制药彻底改变传统的水煮醇沉萃取方法的新方法、新工艺。与水煮、醇沉工艺相比，超声波萃取具有如下突出特点[18]：（1）无需高温。在40℃－50℃水温F超声波强化萃取，无水煮高温，不破坏中药材中某些具有热不稳定，易水解或氧化特性的药效成份。超声波能促使植物细胞地破壁，提高中药的疗效。（2）常压萃取，安全性好，操作简单易行，维护保养方便。（3）萃取效率高。超声波强化萃取20～40分钟即可获最佳提取率，萃取时间仅为水煮、醇沉法的三分之一或更少。萃取充分，萃取量是传统方法的二倍以上。据统计，超声波在65～70oC工作效率非常高。而温度在65oC度内中草药植物的有效成份基本没有受到破坏。加入超声波后（在65度条件下），植物有效成份提取时间约40分钟。而蒸煮法的蒸煮时间往往需要两到三小时，是超声波提取时间的3倍以上时间。每罐提取3次，基本上可提取有效成份的90%以上。（4）具有广谱性。适用性广，绝大多数的中药材各类成份均可超声萃取。（5）超声波萃取对溶剂和目标萃取物的性质（如极性）关系不大。因此，可供选择的萃取溶剂种类多、目标萃取物范围广泛。（6）减少能耗。由于超声萃取无需加热或加热温度低，萃取时间短，因此大大降低能耗。（7）药材原料处理量大，成倍或数倍提高，且杂质少，有效成分易于分离、净化。（8）萃取工艺成本低，综合经济效益显著。
3.5超声清洗
超声波在液体中传播能够形成空化作用，用来清洗物件特别实用。
3.5.1超声清洗的原理
超声波清洗主要是利用超声波在液体中的空化作用。超声波在液体传播过程中,当其声波压强达到一个大气压时,超声波的功率密度约为0.35W/cm2,
这时在液体中传播的超声波的声波压强峰值在液体中会产生一个很大的力,将液体拉裂成空洞(空化核),此空洞为真空或非常接近真空。在信号电压值(或超声波压强)下一个半周达到最大时,由于周围的压力的增大而被压碎,这些无数细小而密集的气泡破裂时产生冲击波的现象被称之为“空化”作用,空化泡崩溃时,在极短的时间和极小的空间内,形成局部热点,可产生高达5000 K的高温和108Pa的高压,温度变化率高达109K/s,并伴随有强烈的冲击波和时速达400km的射流[12]。在此作用下,液体分子激烈碰撞产生非常强大的冲击力,将被清洗物体表面的污物撞击下来。空化作用也在固体与液体的交界处产生一种剪切力,也使污垢脱落,因而两种力的作用下,对于浸入超声波作用下的液体中的物体外表面具有超乎寻常的清洗作用。另外,由于超声波具有很强的穿透固体的作用,所以这种“空化”作用对浸入超声波作用下的液体中物体(如管件)内表面也能得到一定程度的清洗,这是超声波清洗优于其它清洗手段的重要方面。
3.5.2影响清洗的因素
1.超声波频率：超声波频率越低，在液体中产生空化越容易，作用也越强。频率高则超声波方向性强，适合于精细物体的清洗。根据频率不同，声强一般选在1—2w/cm2左右。
2.功率密度：超声波的功率密度越高，空化效果越强，速度越快，清洗效果越好。但对于精密的、表面光洁度甚高的工件，采用长时间的高功率密度清洗会对物体表面产生“空化”腐蚀。
3.清洗介质：采用超声波清洗，一般有两种清洗剂：化学溶剂和水基清洗剂。清洗介质的化学作用，加上超声波清洗的物理作用，两种作用相结合，以对物体进行充分，彻底的清洗。
4.清洗温度：一般来说，超声波在30℃～40℃时空化效果最好。清洗剂是温度越高，作用越显著。但随着液温的上升，液体中生存的气泡会遮断声波，使超声波减弱。通常实际应用超声波清洗时，采用40℃～60℃的工作温度。
5.工作放置方式：因为将清洗物置于驻波压力最大的位置，可获得最佳的清洗效果，所以工件在清洗槽内上下、左右缓慢的摆动，则清洗越均匀、彻底，清洗效果越好。
3.6超声波在军事中的应用
超声波在军事中的应用主要运用超声波方向性好的特性。由于超声波基本上是沿直线传播的，可以定向发射，如果渔船载有水下超声波发生器，它旋转着向各个方向发射超声波，当超声波遇到鱼群时会反射回来，渔船探测到反射波就知道鱼群的位置了，这种仪器叫声纳[13]。它也可以用来探测水中的暗礁和敌人的潜艇以及测量海水的深度。在现代高科技中，虽然雷达的应用很广，但在水中依然采用声纳技术，这主要是因为海水有良好的导电性，对电磁波的吸收能力很强，雷达无法探测水下作战目标的方位和距离，超声波在空气中衰减较快，而在固体、液体中的衰减却很小，这正好与电磁波相反，在这种情况下，声纳技术可以发挥巨大的威力。由于海水吸热能力太强，使红外线技术无用武之地；又由于水的透光能力差，吸收光能力很强，故光学设备如望远镜也使用不上。因此，声纳技术在特殊领域中占有不可取代的地位。
3.7超声波技术在纳米材料制备中的应用
纳米材料是纳米科学中的一个重要研究发展方向，在越来越多的领域中受到重视，成为材料科学研究的热点。近年来，声空化作用引起的特殊物理和化学环境为科学家制备纳米材料提供了新的途径，声空化方法正成为制备具有特殊性能材料的一种新技术，这其中包括超声化学法、超声雾化法等。这些方法的出现，扩展了纳米材料的制备技术，为纳米科学技术注入了新的活力。
著名声化学家Suslick的研究小组【14】在纳米结构材料的制备和合成方
的癸烷溶液时可产生暗面做了大量的工作，如在0℃时用超声辐照Fe(CO)
3
黑色的铁粉末。经元素分析知,粉末中铁的质量分数为96%以上；扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)的结果证实，这种材料是由粒径4nm～6nm的粒子组成的聚集体；磁性研究表明，这是一种非常软的铁磁性材料，居里温度高达580K。王建等人以无水四氯化锡为原料，在超声波的作用下，用溶胶凝胶法制得纳米SnO
，并运用TEM和XRD对其结构进行了表征。在适当的条件下
2
粉末平均粒径为20nm，颗粒为球形，粒径均匀，流动性能制得的纳米SnO
2
好，产品结构为四方晶系锡石结构，纯度95%以上，超声波在控制粒径大小和防止团聚方面起到了很好的作用。林金谷等以溶于十氢萘的碳基铁
Fe(CO)
5和六碳基铬Cr(CO)
6
溶液注入一套专门设计的超声微粒制备装置，在
超声功率120W、频率20kHz下分解3.5h，得到粒径17nm～28nm的Fe Cr合金纳米粉末。王菊香等开发出制备纳米粉末的超声电解法，通过控制溶液浓度、超声功率、电解条件和电流密度等得到10nm以下的铜和镍粉。该方法具有工艺简单、成本低和无毒、无污染等特点，是制备超细金属粉末的一种
新方法。陈雪梅等首次将超声波法运用于沉淀法制备纳米Al
2O
3
粉体，利用
超声辐射工艺制得粒径为12nm的Al
2O
3
粉体。结果表明，超声辐射通过对液
体介质的空化作用而有效地细化了前驱体NH
4Al(OH)
2
CO
3
沉淀颗粒,抑制了前
驱体颗粒的聚焦，超声辐射延缓了前驱体向凝胶转化过程，得到含较小包裹水和结合水的三维疏松网络状骨架结构的凝胶。
3.8超声波在医疗方面的应用
医学上最早利用超声波是在1942年，奥地利医生杜西克首次用超声技术扫描脑部结构；以后到了60年代医生们开始将超声波应用于腹部器官的探测【14】。如今超声波扫描技术已成为现代医学诊断不可缺少的工具。
医学超声波检查的工作原理与声纳有一定的相似性，即将超声波发射到人体内，当它在体内遇到界面时会发生反射及折射，并且在人体组织中可能被吸收而衰减。因为人体各种组织的形态与结构是不相同的，因此其反射与折射以及吸收超声波的程度也就不同，医生们正是通过仪器所反映出的波型、曲线，或影象的特征来辨别它们。此外再结合解剖学知识、正常与病理的改变，便可诊断所检查的器官是否有病。
目前，医生们应用的超声诊断方法有不同的形式，可分为A型、B型、M 型及D型四大类[15]。
A型：是以波形来显示组织特征的方法，主要用于测量器官的径线，以判定其大小。可用来鉴别病变组织的一些物理特性，如实质性、液体或是气体是否存在等。
B型：用平面图形的形式来显示被探查组织的具体情况。检查时，首先将人体界面的反射信号转变为强弱不同的光点，这些光点可通过荧光屏显现出来，这种方法直观性好，重复性强，可供前后对比，所以广泛用于妇产科、泌尿、消化及心血管等系统疾病的诊断。
M型：是用于观察活动界面时间变化的一种方法。最适用于检查心脏的
超声波焊接原理和应用
超声波焊接原理： 超声波焊接是熔接热塑性塑料制品的高科技技术，各种热塑性胶件均可使用超声波熔接处理，而不需加溶剂，粘接剂或其它辅助品。 其优点是增加多倍生产率，降低成本，提高产品质量及安全生产。 超声波塑胶焊接原理是由发生器产生20KHz(或15KHz)的高压、高频信号，通过换能系统，把信号转换为高频机械振动，加于塑料制品工件上，通过工件表面及在分子间的磨擦而使传递到接口的温度升高，当温度达到此工件本身的熔点时，使工件接口迅速熔化，继而填充于接口间的空隙，当震动停止，工件同时在一定的压力下冷却定形，便达成完美的焊接。 新型的15KHz超声波塑胶焊接机，对焊接较软的PE、PP材料，以及直径超大，长度超长塑胶焊件，具有独特的效果，能满足各种产品的需要，能为用户生产效率以及产品档次贡献。 超声波焊接工艺： 一、超声波焊接： 以超声波超高频率振动的焊头在适度压力下，使二块塑胶的结合面产生磨擦热而瞬间熔融接合，采用合适的工件和合理的接口设计，可达到水密及气密，并免除采用辅助品带来的不便，实现高效清洁的焊接焊接强度可与本体媲美。 二、铆焊法： 将超声波超高频率振动的焊头，压着塑胶品突出的梢头，使其瞬间发热融成为铆钉形状，使不同材质的材料机械铆合在一起。三、埋植： 借着焊头之传导及适当压力，瞬间将金属零件(如螺母、螺杆等)挤入预留的塑胶孔内，固定在一定深度，完成后无论拉力、扭力均可媲美传统模具内成型之强度，可免除射出模受损及射出缓慢之缺点。
一、超声波塑料焊接的相容性和适应性： 热塑性塑料，由于各种型号性质不同，造成有的容易进行超声波焊接，有的不易焊接；下表中黑方块的表示两种塑料的相容性好，容易进行超声波焊接；圆圈表示在某些情况下相容，焊接性能尚可；空格表示两种塑料相容性很差，不易焊接。 注意：表中所列仅供参考,因为熟知的变化可导致结果略有差异.
超声波检测技术及应用
超声波检测技术及应用 刘赣 （青岛滨海学院，山东省青岛市经济开发区266000） 摘要：无损检测(nondestructive test)简称NDT。无损检测就是不破坏和不损伤受检物体，对它的性能、质量、有无内部缺陷进行检测的一种技术。本文主要讲的是超声波检测（UT）的工作原理以及在现在工业中的应用和发展。 关键词：超声波检测；纵波；工业应用；无损检测 1.超声波检测介绍 1.1超声波的发展史 声学作为物理学的一个分支, 是研究声波的发生、传播、接收和效应的一门科学。在1940 年以前只有单晶压电材料, 使得超声波未能得到广泛应用。20 世纪70 年代, 人们又研制出了PLZT 透明压电陶瓷, 压电材料的发展大大地促进了超声波领域的发展。声波的全部频率为10- 4Hz～1014Hz, 通常把频率为2×104Hz～2×109Hz 的声波称为超声波。超声波作为声波的一部分, 遵循声波传播的基本定律, 1.2超声波的性质 1）超声波在液体介质中传播时，达到一定程度的声功率就可在液体中的物体界面上产生强烈的冲击（基于“空化现象”）。从而引出了“功率超声应用技术“例如“超声波清洗”、“超声波钻孔”、“超声波去毛刺”（统称“超声波加工”）等。2）超声波具有良好的指向性 3）超声波只能在弹性介质中传播，不能再真空中传播。一般检测中通常把空气介质作为真空处理，所以认为超声波也不能通过空气进行传播。 4）超声波可以在异质界面透射、反射、折射和波型转化。 5）超声波具有可穿透物质和在物质中衰减的特性。 6）利用强功率超声波的振动作用，还可用于例如塑料等材料的“超声波焊接”。 1.2超声波的产生与接收 超声波的产生和接收是利用超声波探头中压电晶体片的压电效应来说实现的。由超声波探伤仪产生的电振荡，以高频电压形式加载于探头中压电晶体片的两面电极上时，由于逆压电效应的结果，压电晶体片会在厚度方向上产生持续的伸缩变形，形成了机械振动。弱压电晶体片与焊件表面有良好的耦合时，机械振动就以超声波形式传播进入被检工件，这就是超声波的产生。反之，当压电晶体片收到超声波作用而发生伸缩变形时，正压电效应的结果会使压电晶体片两面产生不同极性的电荷，形成超声频率的高频电压，以回波电信号的形势经探伤仪显示，这就是超声波的接收。 1.3超声波无损检测的原理 超声波探伤仪的种类繁多，但在实际的探伤过程，脉冲反射式超声波探伤仪应用的最为广泛。一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种
超声波的原理与应用
新疆大学课程大作业 题目：超声波的原理与应用姓名：xx xx 学院：电气工程学院 专业：电气工程及其自动化班级：电气xx-x班 完成日期：2012年11月27日
超声波的原理与应用 概述： 超声波是一种机械波。声的发生是由于发声体的机械振动，引起周围弹性介质中质点的振动由近及远的传播，这就是声波。人耳所能听闻的声波其频率在20～20000Hz之间，频率在20～20000Hz以外的声波不能引起声音的感觉。频率超过20000Hz的叫做超声波，频率低于20Hz的叫做次声波。超声波的频率可以高达911Hz，而次声波的频率可以低达9-8Hz。 早在1830年，F·Savart曾用齿轮，第一次产生24000HZ的超声，1876年F·Galton用气哨产生30000Hz 的超声。1912年4月10日，泰坦尼克号触冰山沉没，引起科学界注意，希望可以探测到水下的冰山。直到第一次世界大战中，德国大量使用潜艇，击沉了协约国大量舰船，探测潜艇的任务又提到科学家的面前[1]。当时的科学家郎之万和他的朋友利用当时已出现的功率很大的放大器和石英压电晶体结合起来，能向水下发射几十千赫兹的超声波，成功的将超声波应用到实际中。 现在，超声波测试把超声波作为一种信息载体，它已在海洋探测与开发、无损检测、医学诊断等领域发挥着不可取代的独特作用。例如：在海洋应用中，超声波可以用来探测鱼群和冰山，可以用于潜艇导航或传送信息、地形地貌测绘和地质勘探等。在检测中，利用超声波检测固体材料内部缺陷、材料尺寸测量、物理参数侧量等。在医学中，可以利用超声波进行人体内部器官的组织结构扫描和血流速度的测量等。 超声波工作原理 这次做机器人用到了超声波，才开始看它的工作原理，感觉还很简单，但是调试到最后，发现了很多问题，该碰到的都碰到了。赶紧写出来分享给大家。 先把超声波的工作原理贴出来：
超声波原理应用
超声波的产生 声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。 超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性： 传播特性──超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。 功率特性──当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。 空化作用──当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，并且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。 超声波的两个主要参数 超声波的两个主要参数：频率：F≥20KHz；功率密度：p=发射功率(W)/发射面积(cm2);通常p≥0.3w/cm2; 在液体中传播的超声波能对物体表面的污物进行清洗，其原理可用“空化”现象来解释：超声波振动在液体中传播的音波压强达到一个大气压时，其功率密度为0.35w/cm2，这时超声波的音波压强峰值就可达到真空或负压，但实际上无负压存在，因此在液体中产生一个很大的压力，将液体分子拉裂成空洞一空化核。此空洞非常接近真空，它在超声波压强反向达到最大时破裂，由于破裂而产生的强烈冲击将物体表面的污物撞击下来。这种由无数细小的空化气泡破裂而产生的冲击波现象称为“空化”现象。太小的声强无法产生空化效应。 超声清洗的原理 由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质---清洗溶剂中，超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的直径为50-500μm的微小气泡，存在于液体中的微小气泡在声场的作用下振动。这些气泡在超声波纵向传播的负压区形成、生长，而在正压区，当声压达到一定值时,气泡迅速增大,然后突然闭合。并在气泡闭合时产生冲击波,在其周围产生上千个大气压,破坏不溶性污物而使他们分散于清洗液中,当团体粒子被油污裹着而黏附在清洗 件表面时,油被乳化,固体粒子及脱离,从而达到清洗件净化的目的。在这种被称之为“空化”效应的过程中，气泡闭合可形成几百度的高温和超过1000个气压的瞬间高压，连续不断地产生瞬间高压就象一连串小“爆炸”不断地冲击物件表面，使物件的表面及缝隙中的污垢迅速剥落，从而达到物件表面清洗净化的目的。
超声波热量表原理及应用
一、超声波热量表原理： 1、基本原理： 热量表是将一对温度传感器分别安装在通过载热流体的上行管和下行管 号，一对温度传感器给出表示温度高低的模拟信号，而积算仪采集来自流量 热水所提供的热量与热水的进回水温差及热水流量成正比例关系。热水流量采用声波时差法原理进行测量，进回水温度则通过铂电阻温度计测量。热能表积算仪将热水流量和进回水温度进行数据运算处理，最后得出所消耗掉的热量，单位为 kWh 、 MWh、MJ 或 GJ。
2、 计算方法： a 、焓差法（依据供回水温度、流量对水流时间进行积分来计算） Q =∫q m ×?h ×d τ=∫ρ×q v ×??×d ττ1 τ0τ1τ0 Q ：系统释放或吸收的热量； q m ：水的质量流量 q v ：水的体积流量 ?? ：供水和回水温度的水的焓值差 b 、热系数法（根据供回水温差、水的累积流量） Q =∫k ×?θ×dv v0 v1 K=ρ???θ V :水的体积 ?θ：供水和回水的温差 k ：热系数 （具体密度及焓的取值参见GB/T 32224-2015附录A ） 二、 超声波热量表的选用 1、 机械部分 a 、热量表外形尺寸选用：热量表公称口径；公称压力；热量表全长、热量表计算器长度、高度、计算器高度、表接螺纹、流量计表体材质等。保证热量表可以正确安装在设备无干涉、且后期检修方便。 b 、热量表技术数据选用：包含热量表的最小流量、最大流量、过载流量、热量表温度围、公称流量下的压力损失、最大温差、最小温差、测算精度、热量表防护等级等。 2、 电气及软件部分 热量表供电方式：一般为24V 和230V （具体参见说明书）。 温度传感器类型、传感器导线长度（严禁自行加长、截短或更换导线）、热量表的通讯方式及通讯接口、流量计计量周期、用户M-Bus 抄表系统、
专题实验-超声波测试原理及应用
实验一、超声波的产生与传播 实验方案 1. 直探头延迟的测量 参照附录A 连接JDUT-2型超声波实验仪和示波器。超声波实验仪接h 直探头，并把探 头放在CSK-IB 试块的正面，仪器的射频输出与示波器第1通道相连，触发与示波器外触发 相连，示波器采用外触发方式，适半设置超声波实验仪衰减器的数值和示波器的电圧范用与 时间范闱，使示波器上看到的波形如图1.7所示。 在图1.7中，S 称为始波，t 0对应于发射超声波的初始时刻；Bl 称为 图1.7 直探头延迟的测虽 试块的1次底面回波，h 对应于超声波传播到试块底面，并被发射回来后，被超声波探头接 收到的时刻，因此h 对应于超声波在试块内往复传播的时间：B 2称为试块的2次底面冋波, 它対应于超声波在试块内往复传播到试块的上表面后，部分超声波被上表面反射，并被试块 底面再次反射，即在试块内部往复传播两次后被接收到的超声波。依次类推，右3次、4次 和多次底面反射回波。 从示波器上读出传播h 和t2,则直探头的延迟为 (1-6) 2. 脉冲波频率和波长的测量 调节示波器时间范闱，使试块的1次底面回波出现在示波屏的中央，脉冲波的振幅小于 IVO 测量两个振动波峰之间的时间间隔，则得到一个脉冲周期的振动时间t,则脉冲波的频 率为^1/t ：已知铝试块的纵波声速为6.32InInUS,贝IJ 脉冲波在铝试块中的波长为l=6.32t β 3. 波型转换的观察与测最 号时间范悅改变探头的入射角，并在改变的过程中适当移动探头的位宜，使每一个入射角 对应的R 2圆弧面的反射回波最 人。則在探头入射角由小变人的过 程中，我们町以先后观察到回波 B 1. B 2和B3;它们分别对应于纵 波反射回波、横波反射回波和表面 波反射回波。 让探头靠近试块背而，通过调节入 射角调，使能够同时观测到回波 BI 和（如图1.9）,且它们的幅 度基本相等：再让探头逐步靠近试 块正面,则又会在Bl 前面观测到一个回波bl ， 参照附录B 给出铝试块的纵波声速与横波声速，通过简单测量和计算，可以确定b 、Bl 和氏对应的波型和反射面。 4. 折射角的测量 确定Bi 、B?的波型后，町以分别测量纵波和横波的折射角。参照图Llo 首先让把探头 的纵波声束对正（回波幅度最人时为正对位宜）CSK-IB 试块 把超声波实验 仪换上町变角探头， 参照图1-8把探头 放在试块上，并使探 头靠近试块背面，使 探头的斜射声束只 打在 R2圆弧而上。 适当 设置超声波实 验仪衰减器的数值 和示波器 的电压范阖 CT ? V V R2 -C I ? 图1.8观察波型转换现彖
超声波电机的原理与应用
超声波电机的原理与应用 周传运 超声波电机(Ultrasonic Motor ,USM )是国外近20年发展起来的一种新型电机。事实上,在超声波电机问世之前,已有以压电效应驱动的电机,但其频率并不局限于超声波范围。早在1948年,威廉和布朗就申请了“压电马达”的美国专利;1964年,前苏联基辅理工学院设计了第一个压电旋转电机;1970～1972年,西门子公司和松下公司发明了压电步进电机,不过因无法达到较大的输出转矩而没能实际应用。1980年,日本的指田年生研制成超声波压电电动机(即现代意义上的超声波电动机),克服了传统压电电动机转换效率低和变位微小的缺陷,使压电电动机进入工业实用阶段。 一、超声波电机的原理和结构超声波电机的原理 超声波电机利用压电材料的逆压电效应①产生超声波振动,把电能转换为弹性体的超声波振动,并把这种振动通过摩擦传动的方式驱使运动体回转或直线运动。磁极和绕组,它一般由振动体②和移动体③组成,为了减少振动体和移动体之间相对运动产生的磨损,通常在二者间加一层摩擦材料。当在振动体的压电陶瓷(PZT )上施加20KHz 以上超声波频率的交流电压时,赫的超声波振动,使振动体表面起驱动作用的质点形成一定运动轨迹的超声波频率的微观振动(振幅一般为数微米),如椭圆、李萨如轨迹等,该微观振动通过振动体和移动体之间的摩擦作用使移动体沿某一方向做连续宏观运动。因此,超声波电机是将弹性材料的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。根据这一思想,日、德等国近几年相继研发出多种超声波电机,如环形行波USM 、步进USM 、多自由度USM 等,且行波型USM 已有较成熟的设计。下面以行波型USM 的 旋转说明其工作原理。 行波型USM 要旋转,需具备两个条件:与转子相接触的定子表面质点须做椭圆运动,定子、转子之间的接触面须有摩擦力。图1中的弹性体为定子,其上部为转子,定子、转子间夹一层摩擦材料。摩擦材料一般粘接在转子表面上。利用电能激励压电陶 瓷复合振子,使之产生超声振动,并在弹性体内产生 行波。当电信号频率调整到与定子(弹性体)的机械共振频率一致时,定子的振动幅度最大,并形成行波。在行波的弯曲传播过程中,定子表面的质点就会形成椭圆振动轨迹。当无数个这样的粒子都以同相位振动时,就会在定子表面形成力矩,力矩方向与行波传播方向相反。该力矩依靠定子、转子间的摩擦力驱动转子运动。转子的运动速度由定子表面质点的振幅和频率决定,振幅大则速度快;另外,加大定子、转子间压力,增加其间的摩擦力,也会增大转子受到的力矩。 图1 定子表面质点的椭圆运动轨迹 环形行波型超声波电机的结构 图2为环形行波型USM 的结构示意图。主要部件为定子和转子。定子由弹性环、压电陶瓷环和粘接在其上的带有凸齿的弹性金属环组成,弹性环由不锈钢、硬铝或铜等金属制成。凸齿的作用是放大定子表面振动的振幅,使转子获得较大的输出能量。压电陶瓷环采用的是施加交变电压后能够产生机械谐振位移的“硬性”压电陶瓷材料,其质量好坏直接影响电机性能。粘接剂多用高温固化的环氧树脂胶。 图2 环形行波型USM 的结构示意图 转子由转动环和摩擦材料构成。转动环一般用 不锈钢、硬铝或塑料等制成。摩擦材料必须牢固地粘接在转子的接触表面,从而增加定子、转子间的摩 ? 63?现代物理知识
超声波提取原理、特点与应用介绍
超声波提取原理、特点与应用介绍 超声波指频率高于20KHz，人的听觉阈以外的声波。 超声波提取在中药制剂质量检测中（药检系统）已广泛应用。《中华人民共和国药典》中，应用超声波处理的有232个品种，且呈日渐增多的趋势。 近年来，超声波技术在中药制剂提取工艺中的应用越来越受到关注。超声波技术用于天然产物有效成分的提取是一种非常有效的方法和手段。作为中药制剂取工艺的一种新技术，超声波提取具有广阔的前景。 超声波提取是利用超声波具有的机械效应，空化效应和热效应，通过增大介质分子的运动速度、增大介质的穿透力以提取生物有效成分。 1、提取原理 （1）机械效应超声波在介质中的传播可以使介质质点在其传播空间内产生振动，从而强化介质的扩散、传播，这就是超声波的机械效应。超声波在传播过程中产生一种辐射压强，沿声波方向传播，对物料有很强的破坏作用，可使细胞组织变形，植物蛋白质变性；同时，它还可以给予介质和悬浮体以不同的加速度，且介质分子的运动速度远大于悬浮体分子的运动速度。从而在两者间产生摩擦，这种摩擦力可使生物分子解聚，使细胞壁上的有效成分更快地溶解于溶剂之中。 （2）空化效应通常情况下，介质内部或多或少地溶解了一些微气泡，这些气泡在超声波的作用下产生振动，当声压达到一定值时，气泡由于定向扩散（rectieddiffvsion）而增大，形成共振腔，然后突然闭合，这就是超声波的空化效应。这种气泡在闭合时会在其周围产生几千个大气压的压力，形成微激波，它可造成植物细胞壁及整个生物体破裂，而且整个破裂过程在瞬间完成，有利于有效成分的溶出。 （3）热效应和其它物理波一样，超声波在介质中的传播过程也是一个能量的传播和扩散过程，即超声波在介质的传播过程中，其声能不断被介质的质点吸收，介质将所吸收的能量全部或大部分转变成热能，从而导致介质本身和药材组织温度的升高，增大了药物有效成分的溶解速度。由于这种吸收声能引起的药物组织内部温度的升高是瞬间的，因此可以使被提取的成分的生物活性保持不变。 此外，超声波还可以产生许多次级效应，如乳化、扩散、击碎、化学效应等，这些作用也促进了植物体中有效成分的溶解，促使药物有效成分进入介质，并于介质充分混合，加快了提取过程的进行，并提高了药物有效成分的提取率。 2、超声波提取的特点 （1）超声波提取时不需加热，避免了中药常规煎煮法、回流法长时间加热对有效成分的不良影响，适用于对热敏物质的提取；同时，由于其不需加热，因而也节省了能源。 （2）超声波提取提高了药物有效成分的提取率，节省了原料药材，有利于中药资源的充分利用，提高了经济效益。 （3）溶剂用量少，节约了溶剂。 （4）超声波提取是一个物理过程，在整个浸提过程中无化学反应发生，不影响大多数药物有效成分的生理活性。 （5）提取物有效成分含量高，有利于进一步精制。 3、超声波技术在天然产物提取方面的应用 与水煎煮法对比，采用超声波法对黄芩的提取结果表明，超声波法提取与常规煎煮法相比，提取时间明显缩短，黄芩苷的提取率升高；超声波提取10、20、40、60min均比煎煮法提取3h的提取率高。 应用超声波法对槐米中主要有效成分芦丁的提取结果表明，超声波处理槐米30min所
超声波的检测原理反射折射
超声波的检测原理反射折射
2超声波及超声检测原理 2. 1超声波的基本性质 通常人耳能听到声音的频率范围在 20}20KHz 之间，把超过20KHz 的声波 称为超 声波。超声波在本质上是一种机械波，所以它的产生必须依赖两个条件， 一是有机械振动的声源，二是有能够传播振动的弹性介质。 波的种类是根据介质质点的震动方向和波动传播方向的关系来区分的。超 声波在介 质中传播的波形有许多种，有纵波、横波、表面波等。 2.1.1超声场的特征量 充满超声波的空间叫做超声场。声压、声强度、声阻抗是描述超声场 特征的几 个重要物理量。 a. 声压 超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强与没有超声场存在时的静态 压强之差 被称为声压，常用 P 表示，单位为帕。超声波在介质中传播时，介质 中每一点的声压随着时间t 、距离x 而变化，其公式为： X p =「 Awpsi nw(t ) = pcv c 式中P 为介质的密度、必为介质的角频率 C 为超声波在介质中的波速， v 为介 质质点的振动速度。可见声压的绝对值与波速以及角频率成正比。 b. 声强度 在垂直于超声波方向上的单位面积内通过的声能量被称为声强度，也 称声强。 式中A 为超声波的振幅。从公式可见声强与质点振动的位移振幅的平方成 正比，与 质点振动的角频率的平方成正比。 C.声阻抗 从声压的公式可见，在同一声压下辉越大，质点振动速度就越小，反之亦 然，它反 映了声学特性，故将声的乘积作为介质的声阻抗，以符号 Z 表示。 2. 1. 2超声波的速度及波长 超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量及介质的密度有关，对 一定的介 质其弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。不同的介质有不同的 声速。超声波的频率、波长和声谏之间的关系如下 ： 其中入超声波的波长、c 为超声波的速度、f 为超声波的频率。 p cA 2 a)2 2 2 pc
超声波应用原理
超声波清洗在工农业应用中的原理 原理：超声波清洗机由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质，清洗溶剂中超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡，存在于液体中的微小气泡在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡迅速增大，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压，破坏不溶性污物而使他们分散于清洗液中，当团体粒子被油污裹着而黏附在清洗件表面是，油被乳化，固体粒子及脱离，从而达到清洗件净化的目的。 超声波清洗是基於空化作用，即在清洗液中无数气泡快速形成并迅速内爆。由此产生的冲击将浸没在清洗液中的工件内外表面的污物剥落下来。随着超声频率的提高，气泡数量增加而爆破冲击力减弱，因此，高频超声特别适用於小颗粒污垢的清洗而不破环其工件表面。 空化作用：空化作用就是超声波以每秒两万次以上的压缩力和减压力交互性的高频变换方式向液体进行透射。在减压力作用时，液体中产生真空核群泡的现象，在压缩力作用时，真空核群泡受压力压碎时产生强大的冲击力，由此剥离被清洗物表面的污垢，从而达到精密洗净目的。超声波清洗是利用超声波在液体中的社会化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。目前所用的超声波清洗机中，空化作用和直进流作用应用得更多。 理化效应：超声的机械效应和温热效应均可促发若干物理化学变化。实践证明一些理化效应往往是上述效应的继发效应。TS-C型治疗机通过理化效应继发出下列五大作用： A.弥散作用：超声波可以提高生物膜的通透性，超声波作用后，细胞膜对钾，钙离子的通透性发生较强的改变。从而增强生物膜弥散过程，促进物质交换，加速代谢，改善组织营养。 B.触变作用：超声作用下，可使凝胶转化为溶胶状态。对肌肉，肌腱的软化作用，以及对一些与组织缺水有关的病理改变。如类风湿性关节炎病变和关节、肌腱、韧带的退行性病变的治疗。 C.空化作用：空化形成，或保持稳定的单向振动，或继发膨胀以致崩溃，细胞功能改变，细胞内钙水平增高。成纤维细胞受激活，蛋白合成增加，血管通透性增加，血管形成加速，胶原张力增加。 D.聚合作用与解聚作用：水分子聚合是将多个相同或相似的分子合成一个较大的分子过程。大分子解聚，是将大分子的化学物变成小分子的过程。可使关节内增加水解酶和原酶活性增加。 E.消炎，修复细胞和分子：超声作用下，可使组织PH值向碱性方面发展。缓解炎症所伴有的局部酸中毒。超声可影响血流量，产生致炎症作用，抑制并起到抗炎作用。使白细胞移动，促进血管生成。胶原合成及成熟。促进或抑制损伤的修复和愈合过程。从而达到对受损细胞组织进行清理、激活、修复的过程。
超声波定位系统的原理与应用
超声波定位系统的原理与应用 Pr i nc iple and Appl ica tion of Superson ic L oca tion Syste m ●王富东 W ang Fudong 1 基本原理 已经获得广泛应用的无线电定位系统的基本原理是通过接收几个固定位置的发射点的无线电波,从而得到主体到这几个发射点的距离,经计算后即可得到主体的位置。超声波定位的原理与此相仿,只不过由于超声波在空气中的衰减较大,它只适用于较小的范围。 超声波在空气中的传播距离一般只有几十米。短距离的超声波测距系统已经在实际中有所应用,测距精度为厘米级。超声波定位系统可用于无人车间等场所中的移动物体定位。其具体实现可有两种方案。 方案1:在三面有墙壁的场所,利用装在主体上的反射式测距系统可以测得主体到三面墙壁的距离。如果以三面墙壁的交点为原点建立直角坐标系,则可直接得到主体的三个直角坐标如图1所示 。 图1 利用三面垂直的墙壁进行定位 这种方案在实际应用中要受到某些限制。首先,超声波传感器必须与墙面基本保持垂直。其次墙壁表面必须平整,不能有凸出和凹进。传感器与墙壁之间也不能有其它物体。这 在很大程度上影响了其实际使用的效果。方案2:在空间的某些固定位置上设立超声波发射装置,主体上设立接收器(反之亦可)。分别测量主体到各发射点的距离,经过计算后便可得到主体的位置。由于超声波的传播具有一定的发散性及绕射作用,这种方法所受到的空间条件限制较少。即使在主体与发射点之间有障碍物,只要不完全阻断超声波的传播系统仍然可以工作。故本文重点介绍这种方法。发射点的位置通常按直角方位配置。以三维空间为例,可在坐标原点及(X ,0,0),(0,Y ,0)三个位置布置发射点如图2所示 。 图2 距离与坐标换算 主体坐标(x ,y ,z )到三个发射点的距离分别为L 1,L 2,L 3,由距离计算坐标的原理如下: 由图2可得如下三角关系: X 2+Y 2+Z 2=L 1 2 (1) (X -x )2+Y 2+Z 2=L 2 2 (2) X 2+(Y -y )2+Z 2=L 3 2 (3) 求解上列方程可得: x = (L 22-L 12+X 2) 2Y (4)王富东,现在苏州大学工学院工作。 地址:苏州市干将东路178号38信箱 邮政编码:215021收稿日期:1997年12月29日(磁盘来稿)
超声波原理与应用
超声波提取原理与特点 超声波提取是利用超声波具有的机械效应，空化效应和热效应，通过增大介质分子的运动速度、增大介质的穿透力以提取生物有效成分。 机械效应 超声波在介质中的传播可以使介质质点在其传播空间内产生振动，从而强化介质的扩散、传播，这就是超声波的机械效应。超声波在传播过程中产生一种辐射压强，沿声波方向传播，对物料有很强的破坏作用，可使细胞组织变形，植物蛋白质变性；同时，它还可以给予介质和悬浮体以不同的加速度，且介质分子的运动速度远大于悬浮体分子的运动速度。从而在两者间产生摩擦，这种摩擦力可使生物分子解聚，使细胞壁上的有效成分更快地溶解于溶剂之中。 空化效应 通常情况下，介质内部或多或少地溶解了一些微气泡，这些气泡在超声波的作用下产生振动，当声压达到一定值时，气泡由于定向扩散（rectieddiffvsion）而增大，形成共振腔，然后突然闭合，这就是超声波的空化效应。这种气泡在闭合时会在其周围产生几千个大气压的压力，形成微激波，它可造成植物细胞壁及整个生物体破裂，而且整个破裂过程在瞬间完成，有利于有效成分的溶出。 热效应 和其它物理波一样，超声波在介质中的传播过程也是一个能量的传播和扩散过程，即超声波在介质的传播过程中，其声能不断被介质的质点吸收，介质将所吸收的能量全部或大部分转变成热能，从而导致介质本身和药材组织温度的升高，增大了药物有效成分的溶解速度。由于这种吸收声能引起的药物组织内部温度的升高是瞬间的，因此可以使被提取的成分的生物活性保持不变。 此外，超声波还可以产生许多次级效应，如乳化、扩散、击碎、化学效应等，这些作用也促进了植物体中有效成分的溶解，促使药物有效成分进入介质，并于介质充分混合，加快了提取过程的进行，并提高了药物有效成分的提取率。 超声波提取的特点 超声波提取时不需加热，避免了中药常规煎煮法、回流法长时间加热对有效成分的不良影响，适用于对热敏物质的提取；同时，由于其不需加热，因而也节省了能源。 超声波提取提高了药物有效成分的提取率，节省了原料药材，有利于中药资源的充分利用，提高了经济效益。 溶剂用量少，节约了溶剂。
超声波发生器原理介绍应用
一、超声波发生器简介 通常称为超声波电箱、超声波发生源、超声波电源。它的作用是把我们的市电（220V或380V，50或60Hz）转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号。从放大电路形式，可以采用线性放大电路和开关电源电路，大功率超声波电源从转换效率方面考虑一般采用开关电源的电路形式。线性电源也有它特有的应用范围，它的优点是可以不严格要求电路匹配，允许工作频率连续快速变化。从目前超声业界的情况看，超声波主要分为自激式和它激式电源。超声波发生器采用目前世界领先的他激式震荡线路结构，较以前的自激式震荡线路结构在输出功率增加10%以上，电气性能符合甲方提供销的技术标准（出厂标准）。 超声波发生器的原理是首先由信号发生器来产生一个特定频率的信号，这超声波发生器个信号可以是正弦信号，也可以是脉冲信号，这个特定频率就是换能器的频率，一般应用在超声波设备中的超声波频率为20KHz、25KHz、28KHz、33KHz、40KHz、60KHz；100KHz 或以上现在尚未大量使用。但随着以后精密清洗的不断发展。相信使用面会逐步扩大。二、超声波发生器反馈信号 提供输出功率信号 比较完善的超声波发生器还应有反馈环节，主要提供二个方面的反馈信号：第一个是提供输出功率信号，我们知道当发生器的供电电源（电压）发生变化时。发生器的输出功率也会发生变化，这时反映在换能器上就是机械振动忽大忽小，导致清洗效果不稳定。因此需要稳定输出功率，通过功率反馈信号相应调整功率放大器，使得功率放大稳定。 提供频率跟踪信号 第二个是提供频率跟踪信号。当换能器工作在谐振频率点时其效率最高，工作最稳定，而换能器的谐振频率点会由于装配原因和工作老化后改变，当然这种改变的频率只是漂移，变化不是很大，频率跟踪信号可以控制信号发生器，使信号发生器的频率在一定范围内跟踪换能器的谐振频率点。让发生器工作在最佳状态。当然随着现代的电子超声技术，特别是微处理器(uP)及信号处理器(DSP)的发展，发生器的功能越来越强大，但不管如何变化，其核心功能应该是如上所述的内容，只是每部分在实现时超声波技术不同而已。 三、超声波发声器功能 1、频率微调功能 超声波发生器有频率微调的功能，调整范围2%，在不同的工况条件下略微调整使换能器始终工作在最佳状态下，换能效率达到最大，在不同工况下都能达到最佳效果。 2、扫频功能 超声波发生器具有扫频功能，通过在清洗过程中超声波频率在合理的范围内往复扫动，带动清洗液形成细微回流，使工件污垢在被超声剥离的同时迅速带离工件表面，提高清洗效率。 3、功率调节功能 超声波发生器具有功率调节的功能，输出功率可实现10%—100%的连续调整，以适应各种清洗对象的要求。 四、超声波发声器分类 综述-可分为频率可调超声波发生器、100W/300W超声波发生器、小功率超声波发生器、高频超声波发生器、大功能超声波发生器、数字显示超声波发生器。 1、频率可调超声波发生器|声波发射器 新式功率从"0"~3000瓦功率可调，频率从20KHZ~40KHZ可调的超声波发生器。使用换能器不同，超声波发生器都可共用。结构合理，做到防潮、防冲击、防烧管、操作简单。从没有使用过超声波清洗机，对频率功率不了解的人，只要有点电工常识的人都一看就会。 2、100W/300W超声波发生器
超声波产生及超声探测实验
专题实验 请同学们先看下后边的注意事项！ 超声波测试原理及应用 超声波是频率在2?104Hz~1012Hz的声波。超声广泛存在于自然界和日常生活中，如老鼠、海豚的叫声中含有超声成分，蝙蝠利用超声导航和觅食；金属片撞击和小孔漏气也能发出超声。 人们研究超声始于1830年，F. Savart曾用一个多齿轮，第一次人工产生了频率为2.4?104Hz的超声；1912年Titanic客轮事件后，科学家提出利用超声预测冰山；1916年第一次世界大战期间P. Langevin领导的研究小组开展了水下潜艇超声侦察的研究，为声纳技术奠定了基础；1927年，R. W. Wood 和A. E. Loomis 发表超声能量作用实验报告，奠定功率超声基础；1929年俄国学者Sokolov提出利用超声波良好穿透性来检测不透明体内部缺陷，以后美国科学家Firestone使超声波无损检测成为一种实用技术。 超声波测试把超声波作为一种信息载体，它已在海洋探查与开发、无损检测与评价、医学诊断等领域发挥着不可取代的独特作用。例如，在海洋应用中，超声波可以用来探测鱼群或冰山、潜艇导航或传送信息、地形地貌测绘和地质勘探等。在检测中，利用超声波检验固体材料内部的缺陷、材料尺寸测量、物理参数测量等。在医学中，可以利用超声波进行人体内部器官的组织结构扫描（B超诊断）和血流速度的测量（彩超诊断）等。 本实验简单介绍超声波的产生方法、传播规律和测试原理，通过对固体弹性常数的测量了解超声波在测试方面应用的特点；通过对试块尺寸的测量和人工反射体定位了解超声波在检验和探测方面的应用。 实验所用的仪器设备和主要器材包括：JDUT-2型超声波实验仪、GOS-620型示波器（20MHz）、CSK-IB型铝试块、钢板尺、耦合剂（水）等。 实验一、超声波的产生与传播 能够产生超声波的方法很多，常用的有压电效应方法、磁致伸缩效应方法、静电效应方法和电磁效应方法等.我们把能够实现超声能量与其他形式能量相互转换的器件称为超声波换能器。一般情况下，超声波换能器既能用于发射又能用于接收. 在本专题实验中，我们采用压电效应实现超声波信号与电信号的转换，即压电换能器，它是利用压电材料的压电效应实现超声波的发射和接收。 实验目的 1．了解超声波产生和接收方法； 2．认识超声脉冲波及其特点； 实验原理 1．压电效应 某些固体物质，在压力（或拉力）的作用下产生变形，从而使物质本身极化，在物体相对的表面出现正、负束缚电荷，这一效应称为压电效应。 物质的压电效应与其内部的结构有关。如石英晶体的化学成分是SiO2，它可以看成由+4价的Si离子和-2价O离子组成。晶体内，两种离子形成有规律的六角形排列，如图ZZ-1所示。其中三个正原子组成一个向右的正三角形，正电中心在三角形的重心处。类似，三个
超声波传感器原理
超声波传感器原理 [日期：2007-06-05]来源：作者：[字体：大中小]超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。 接收原理是当超声波作用在磁致材料上时，使磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。 超声波传感器原理与应用 2008-04-1802:40
polaroid6500系列超声波距离模块的硬件电路如图2所示： tl851是一个经济的数字12步测距控制集成电路。内部有一个420khz的陶瓷晶振，6500系列超声波距离模块开始工作时，在发送的前16个周期，陶瓷晶振被8.5分频，形成49.4khz的超声波信号，然后通过三极管q1和变压器t1输送至超声波传感器。发送之后陶瓷晶振被4.5分频，以供单片机定时用。tl852是专门为接收超声波而设计的芯片。因为返回的超声波信号比较微弱，需要进行放大才能被单片机接收，tl852主要提供了放大电路，当tl852接收到4个脉冲信号时，就通过rec 给tl851发送高电平表明超声波已经接收。 2.3at89c51单片机 本系统采用at89c51来实现对polaroid600系列传感器和polaroid6500系列超声波距离模块的控制。单片机通过p1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测int0引脚，当int0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。超声波测距的硬件示意图如图3所示：
3、系统软件设计 系统程序流程图如图4所示： 工作时，微处理器at89c51先把p1.0置0，启动超声波传感器发射超声波，同时启动内部定时器t0开始计时。由于我们采用的超声波传感器是收发一体的，所以在发送完16个脉冲后超声波传感器还有余震，为了从返回信号识别消除超声波传感器的发送信号，要检测返回信号必须在启动发射信号后2.38ms才可以检测，这样就可以抑制输出得干扰。当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，微处理器不停的扫描int0引脚，如果int0接收的信号由高电平变为低电平，此时表明信号已经返回，微处理器进入中断关闭定时器。再把定时器中的数据经过换算就可以得出超声
超声波的原理及其应用
超声波的原理及其应用 目录 摘要......................................... 错误！未定义书签。 1. 绪论 (25) 2.超声波的基本原理 (26) 2.1什么是超声波 (26) 2.2波的传播 (26) 2.3超声波传播的特点 (32) 3.超声波的应用 (32) 3.1超声波传感器 (33) 3.2超声波测距 (34) 3.3超声波测量流量 (36) 3.4超声波提取技术 (39) 3.5超声清洗 (40) 3.6超声波在军事中的应用 (42) 3.7超声波技术在纳米材料制备中的应用 (42) 3.8超声波在医疗方面的应用 (43) 4. 后记 (44) 5. 致谢........................................ 错误！未定义书签。参考文献. (44) 湖北师范学院学士学位论文评审表................. 错误！未定义书签。
超声波的原理及其应用 1. 绪论 早在1830年，F·Savart曾用齿轮，第一次产生4 10 4.2?HZ的超声，1876年F·Galton用气哨产生4 3?Hz 的超声。1912年4月10日，泰坦尼克号 10 触冰山沉没，引起科学界注意，希望可以探测到水下的冰山。直到第一次世界大战中，德国大量使用潜艇，击沉了协约国大量舰船，探测潜艇的任务又提到科学家的面前[1]。当时的科学家郎之万和他的朋友利用当时已出现的功率很大的放大器和石英压电晶体结合起来，能向水下发射几十千赫兹的超声波，成功的将超声波应用到实际中。 我国解放前超声研究是个空白，超声学的研究始于1956年的12年科学规划。1959年超声应用（探伤、加工、种子处理、显示、医疗、粉碎、乳化及染料等）取得了进展。在基础研究反面也有相当深度，如棒的声振动、超声乳化和水中气泡的超声吸收问题；建立了分子声学试验设备，对弛豫吸收、悬浮体的声吸收进行了系列研究；建立了固体中超声衰减的测量设备；对粘弹性和可压缩流体的声速和衰减进行了深入研究。1965年开始研究了声表面波换能器。进入80年代，我国超声学面向实际应用。B超医疗开始投入生产；超声加工、超声研磨、超声焊接、超声清洗、超声催化与滤矿及超声技术育种等逐步开始形成一定规模的产业。压电复合换能器研制成功，窄脉冲短余振探头问世；PVDF新颖压电薄膜换能器及超声显微镜获得实用；高频压电材料LiNbO3研制成功和走向实用[2]。九十年代以来，在中国科学院声学研究所与南京大学声学研究所相继批准建立了国家级重点实验室。总之，我国的超声学研究过的巨大的发展，有些方面已达到国际先进水平。 超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的、各行各业都要遇上的通用技术之一。在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运行，降低生产成本，提高生产效率特别具有潜在能力。因此，我国近十年来，对超声技术的应用研究十分活跃，涉及的应用范围非常广泛。但归纳起来，也无非是两大类：第一类是超声加工和处理技术；第二类就是超声检测与控制技术[3]，其他的超声理论和实验，实际上都是为这两类应用服务的。 超声加工和处理技术是利用高强度的超声波来改变物质的性质和状态
超声波原理应用专题实验报告及论文
超声波原理专题实验报告及论文 授课教师：王保军 学院：电气工程学院 专业：电气信息类(轨道牵引电气化) 班级：电气1109班 姓名： 学号： 电话： E-mail:
目录 实验一.超声波的产生与传播 (3) 一．实验方案 (3) 1.直探头延迟的测量 (3) 2.脉冲波频率和波长的测量 (3) 3.波型转换的观察与测量 (3) 4.折射角的测量 (4) 二．实验内容及要求 (5) 1.测量直探头的延迟 (5) 2.测量脉冲超声波频率和波长 (5) 3.波形转换的观察和测量 (5) 4.验证斯特令定律（选做） (5) 三．分析与思考 (5) 实验二.固体弹性常数的测量 (5) 一．实验方案 (5) 1.声速的直接测量方法 (5) 2.速的相对测量方法 (7) 二．实验内容与要求 (7) 1.测量直探头和斜探头的延迟 (7) 2.利用直探头测量铝试块的纵波声速 (7) 3.利用斜探头测量铝试块的横波声速 (7) 4.计算铝试块的杨氏模量和泊松系数 (8) 三．分析与思考 (8) 实验三.超声波探测 (8) 一．实验方案 (8) 1.声束扩散角的测量 (8) 2.直探头探测缺陷深度 (9) 4.斜探头测量缺陷的深度和水平距离 (9) 二．实验内容及要求 (10) 1.测量直探头的扩散角 (10) 2.探测CSK-IB试块中缺陷C的深度 (10) 3.探测CSK-IB试块中缺陷D的深度和距试块右边沿的距离 (11) 三．分析与思考 (11) 超声波原理及应用科技小论文 (11) ——超声波在工业及医学上的应用 (11) 四．论述 (12) 2.临界角的测量 (13) 五.结论 (14) 3.超声波探测 (15) 六.扩展——超声波在工业及医学上的应用 (18) 七、结语 (21)
超声波的应用
超声波的应用 超声效应已广泛用于实际，主要有如下几方面： 超声检验 超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术。把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息（如对声波的反射、吸收和散射的能力），经声透镜汇聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。上述装置称为超声显微镜。超声成像技术已在医疗检查方面获得普遍应用，在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查，在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。声全息术是利用超声波的干涉原理记录和重现不透明物的立体图像的声成像技术，其原理与光波的全息术基本相同，只是记录手段不同而已（见全息术）。用同一超声信号源激励两个放置在液体中的换能器，它们分别发射两束相干的超声波：一束透过被研究的物体后成为物波，另一束作为参考波。物波和参考波在液面上相干叠加形成声全息图，用激光束照射声全息图，利用激光在声全息图上反射时产生的衍射效应而获得物的重现像，通常用摄像机和电视机作实时观 察。
超声处理 利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。 超声波清洗 清洗的超声波应用原理是由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质，清 洗溶剂中超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡，存在于液体中的微小气泡（空化核）在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡迅速增长，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压力，破坏不溶性污物而使它们分散于清洗液中，当团体粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子即脱离，从而达到清洗件表面净化的目的。 超声波加湿器 理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大. 在中国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度，这就是超声波加湿器的原理。如咽喉炎、气管炎等疾病，很难利用血流使药物到达患