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、振动相位相反并对称于中心。 非对称型兰姆波

2、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

3、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=cn超声波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。1220121202ZZZPptZZZZPprtr声匹配n当超声

4、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）22222221AvfAvwvII 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。xx

5、ePP0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：28KHZn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

6、仪美国DeFelsko公司n技术参数技术参数:n测量范围: 25-1000mn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：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

7、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

8、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

9、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)+-YXXY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

10、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。 )/(33VmUtd)/(33NmVPUgP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

11、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耗的能量E损之比称为机械品质因子Qm。 AtC输入的能量转换的能量K损贮EEQmn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）(20LtctfN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、压电变压