“千里传音”实验演示

石河子大学理学院实习石河子大学理学院实习#压电效应"压电效应是由居里兄弟（JaequeSandpierreCurie首先在a石英晶体上发现的"压电效应反应了晶体的弹性性能与介电性能之间的藕合 ，一种晶体的正压电效应和逆压电效应通常是同时存在且是可逆的.相比较而言，压电体逆压电效应应用范围更为广泛，在机械领域中亦是如此这种超声振动则是由压电陶瓷通过其逆压电效应实现的 "即在交变电场的作用下，压电陶瓷会随之产生交变的机械振动，从而使与之相固连的金属体也发生同频率下的振动,同样,在超声频域的电场作用下就会产生超声振动1.2.2压电材料与压电陶瓷具有压电效应和逆压电效应的一类晶体被称作压电材料 ，或称压电体。从居里兄弟发现石英晶体具有压电性开始,压电材料的研究和开发就迅速展开，各种新型的压电材料不断地被研制出来并得以应用 ，目前已知的压电材料多达几十种之多"早期的石英！电气石等单晶压电材料，其压电性能一般，因而在应用方面受到很大的限制;1947年,多晶体压电陶瓷材料BaTio"出现;随后,具有良好压电、介电及稳定性能的错钦酸铅（PZT）新型压电材料的发现使得压电陶瓷的应用范围进一步扩展1S?各种订检形”沏-电吃洛材料 "0压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体，属于无机非金属材料"由于它的生产工艺与陶瓷的生产工艺（如原料粉碎！混合!成型以及高温烧结等）相似，因而得名"压电陶瓷是一种能够实现机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料 "压电材料是一类重要的！国际竞争极为激烈的高技术新材料"自压电效应被发现后,压电材料和压电器件的研究和生产发展极为迅速，据统计，仅2000年全球压电陶瓷销售额约达30亿美元以上，且销售量以15%左右的速度逐年增长"。压电材料作为机、电、声、光热敏感材料 ，在换能器！传感器、无损检测和通讯技术等领域已获得了广泛的应用 ，世界各国都高度重视压电陶瓷材料的研究和开发"近些年来，国内外研究和开发压电材料的主要方向和热点是 ：弛豫铁电单晶(简称PMN—PT)!压电复合材料！高居里温度压电陶瓷、三元系及多元系压电陶瓷、压电薄膜、细晶粒压电陶瓷和无铅压电陶瓷等工 ，1.2.3压电陶瓷的功用压电陶瓷由于它的压电性以及由此引起的机电性能的多样性获得了广泛应用"一般可将这些应用分成两大类：一是作为压电振子使用，此时，要求压电陶瓷材料有好的频率温度稳定性及较高的机械品质因数；二是作为换能器使用，此时，要求有较高的机电祸合系数和较大的相对介电常数 "压电陶瓷的应用涉及军事！航天!生物!医药等多种领域，各国从事压电方面研究的科研人员也在不断努力地拓展新的研究方向。此外，有关压电陶瓷方面的应用也会随着压电材料的发展而不断前进目前，其应用大致可归纳为以下几个方面：实现能量转换利用压电陶瓷的正压电效应，压电陶瓷可以将机械能转换为电能，故可用于制造如压电打火机、压电发光扇、压电开关以及炮弹引爆装置等 ；利用其逆压电效应，压电陶瓷则可以把电能转换为超声振动 ，从而制成各种超声波换能器，应用于目标探测、对金属进行无损探伤以及超声清洗 ！超声医疗等。在本文的研究中，利用压电换能器作为超声波的发生源，和接收源形，实现对音频信号的解码和编码，从而构造超声波能量传递、转换系统，也是能量转换方面的一种应用。压电传感器压电陶瓷具有较高的灵敏度，由压电陶瓷制成的压电薄膜传感器传感器可用来检测微弱的机械振动并将其转换为电信号，压电陶瓷在这一方面的优良性能使之可以应用于声纳系统！气象探测!遥感遥测以及环境保护等方面。压电驱动器压电驱动器是利用压电陶瓷的逆压电效应 ，使压电陶瓷或者由压电陶瓷制成的压电振子(压电双晶片！压电叠堆等)产生形变，以达到精确地控制输出位移或输出力的作用"利用压电陶瓷的这一特性，可以制成诸如纳米级精密位移驱动器！微型压电泵、压电伺服阀等压电驱动器 ，用于精密仪器与精密机械、微电子技术、光纤技术及生物工程等领域"频率控制器件压电陶瓷还可以用来制造各种滤波器和谐振器 ，广泛应用于通讯！电子!电器等方面"超声信号传输的实验研究1.2超声波的传播特性超声波传播状况，主要由声速、声衰减和声散射这三个方面来体现出来的，这里将分别进行讨论。超声波在液体中的传播声速与温度的关系当超声平面波在液体媒质中传播时，液体媒质中纵波声速为式中E为液体的体积弹性模量，p为媒质的密度。在同一介质中声速与温度、压力等环境因素有关，但声速与介质的温度关系密切，温度的变化对声速影响最大。超声波在液体介质中的吸收超声波在媒质中传播时，如果有一部分声能不可逆转的转换成媒质的其他形式的能量，对超声波来说就是有一部分能量被吸收了。微观声学的研究表明有两类吸收机构。第一类是共振吸收，当超声频率与媒质中微观结构中某种过程的本质频率相符时，就出现共振吸收。在这一频率时，吸收衰减系数突然增大，声速则先突然下降再突然上升然后回至原始值。这类共振吸收的频率往往极高，在一般工业测量技术所使用的超声频率范围内，还不会出现这一吸收。第二类是驰豫吸收。广义的说，凡伴有从一种状态到另一状态的能量转换过程，如果状态改变的速率是与状态间的差成正比，且过程是按指数规律逐步趋近的，就都可称为驰豫过程。声波在媒质中传播时，热传导和切变粘滞吸收都是驰豫过程。超声波在液体介质中的衰减超声波在液体中传播时，如果液体中含有大量散射粒子(如悬浮粒子、小气泡等)，则一部分超声波将被散射开来，不再沿原来方向前进，仅有余下的一部分是沿着原方向继续前进，这样就形成了散射衰减。散射衰减的问题很复杂，既与散射粒子的形状、尺寸和多少有关，还与媒质的性质和散射粒子的性质有关。1.3超声波回波信号检测超声检测物体的所运用的原理是：超声波在物体中进行传播的时候，遇到裂纹、气孔等不同的界面会反射回不同的声信号，主要分成两种类别，第一种是脉冲反射法，第二种是脉冲透射法。（1） 脉冲反射法脉冲反射法是指：超声波的探头发射出脉冲波到被检测物体内，再依据反射波的具体情况来检测物体存在的缺陷。脉冲反射法是最常用且最基本的一种方法。其具体的检测原理是：把由高频脉冲发生器产生出来的高频脉冲加到超声波的探头上，让探头产生超声波，再通过耦合剂把超声波传输到物体的内部。通过对发射脉冲T与底面回波B的分析确定超声信号变化。（2） 脉冲透射法一般采用两个探头，分别放到试件的两侧，一个探头把脉冲发射到试件中，而另一个探头则用来接收穿透试件之后返回的脉冲信号。脉冲透射法主要根据脉冲波穿透试件前后的能量变化来确定物体的性质。超声波的应用3.1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。3.2超声波制药1注射用医药物质的分散一一将磷脂类与胆固醇混合用适当方法与药物混合在水溶液中，经超声分散，可以得到更小粒子（ 0.1um左右）供静脉注射。2、 草药提取一一利用超声分散破坏植物组织，加速溶剂穿透组织作用，提高中草药有效成分提取率。如金鸡纳树皮中全部生物碱用一般方法侵出需 5小时以上，采用超声分散只要半小时即可完成。3、 制备混悬剂一一在超声空化和强烈搅拌下，将一种固体药物分散在含有表面活性剂的水溶液中，可以形成 1um左右口服或静脉注射混悬剂。例静注喜树碱混悬剂”肝脏造影剂”、硫酸钡混悬剂”。4、 制备疫苗一一将细胞或病毒借助于超声分散将其杀死以后，再用适当方法制成疫苗。5、 超声波对化妆品的分散为了更进一步提取药物精华和粒子微细化，并节约生产成本，达到分散、乳化效果，使化妆品更深入渗透到肌肤里层，让肌肤很好的吸收，发挥药物的效力和作用，采用超声波乳化可达到非常理想的效果。采用超声分散，则不需要使用乳化剂，就能使蜡及石蜡乳化、化妆水等油的微粒子分散。石腊在水中分散的粒子直径可达1um以下。6、 超声波对酒的醇化一催陈技术一瓶美酒以它的酒味醇厚，绵软柔和、芳香浓郁为人青睐，人们常用陈年老酒来形容酒的珍贵，一瓶上世纪的陈酒，标价几万元，其价格的含义在于时间的存放上。酒的主要控制因素是化学变化即酸的形成，并进一步酯化，酯参与乙醇和水的缔合。刚出厂的酒含有戍醇，有辛辣味，这种气味要经过很长时间才能化解，这个缓慢变化称酒的醇化。用功率 1.6KW，频率17.5~22KHZ的超声波处理5~10min，可使酒的老熟时间缩短1/3到1/2。3.3超声波金属焊接的应用按国际通行的用途，超声波金属焊有 四大系列：点焊、滚焊、封切、线束，广泛应用于：汽车、制冷、太阳能、电池、电子等各个领域超声波金属焊接适用产品：动力电池多层正、负极焊接；镍氢电池镍网与镍片焊接；锂电池、聚合物电池铜箔与镍片焊接；铝箔与铝片焊接；铝片与镍片焊接；汽车线束；电线头成型；电线互焊；多条电线互焊成线结；铜、铝线转换；电线、电缆与名种电子元件、接点、连接器、端子焊接；太阳能电池、平板太阳能吸热板、铝塑复合管滚焊，铜、铝板拼接；电磁开关、无熔丝开关等大电流接点、触点、异种金属片的焊接；G冰箱、空调等行业铜管封尾；真空器件铜、铝管封切可水、气密；参考文献1应崇福.超声学（第一版）[M].北京:科学出版社，1993.2冯若.超声手册[M].南京:南京大学出版社,1999.3史亦韦.超声检测（第一版）[M].北京：机械工业出版社，20054姚明林，陈先中，张争 .超声波液体密度传感器 [J].传感器技术， 2005，24（5）：