《超声波概念及特性》课件

超声波概念及特性超声波是一种频率高于20kHz的声波，人耳无法听到。超声波在许多领域都有应用，例如医疗诊断、工业检测和声纳系统。什么是超声波？定义超声波是指频率高于20kHz的声波。人类无法听到超声波，但很多动物，例如蝙蝠和海豚，可以听到超声波。特性超声波具有很强的方向性，可以用来探测物体，例如在医疗诊断中使用超声波来扫描人体内部器官。超声波的特点高频超声波的频率远高于人类听觉的范围，通常超过20kHz。方向性强超声波在传播过程中，波束集中，方向性强，能量集中于波束方向。穿透力强超声波的波长较短，穿透力比声波强，能穿透许多不透明的物质。能量高超声波的振幅大，能量高，能产生强大的冲击力和空化效应。超声波的波长范围超声波的波长范围与频率成反比，频率越高，波长越短。超声波的波长范围通常在毫米到微米之间。超声波的频率范围20kHz下限超声波频率范围的下限通常定义为20kHz100GHz上限理论上，超声波频率的上限可以达到100GHz，实际应用中可达GHz级超声波波速的影响因素介质的性质超声波波速取决于介质的密度、弹性模量和剪切模量。不同的介质有不同的波速。温度温度越高，分子运动越剧烈，介质的弹性模量降低，导致波速减慢。压力压力增加，介质的密度和弹性模量增加，导致波速加快。频率超声波频率越高，波速越快，但这种影响通常比较微弱。超声波的传播特性1直线传播在均匀介质中，超声波沿直线传播。2反射和折射当超声波遇到两种不同介质的界面时，会发生反射和折射现象。3衍射现象当超声波遇到障碍物或孔隙时，会发生衍射现象，绕过障碍物或孔隙继续传播。4衰减超声波在传播过程中，能量会逐渐衰减，导致声强减弱。超声波的反射和折射反射超声波遇到不同介质界面时，部分能量会反射回原介质，形成反射波。折射超声波从一种介质传播到另一种介质时，传播方向会发生改变，即发生折射现象。反射和折射规律反射和折射的规律可以用斯涅耳定律和惠更斯原理来解释。超声波的衍射现象超声波在传播过程中遇到障碍物时，会发生衍射现象。衍射是指波在传播过程中遇到障碍物或孔隙时，会偏离直线传播路径的现象。超声波的衍射现象与波长和障碍物或孔隙的尺寸有关。当波长小于障碍物或孔隙的尺寸时，衍射现象不明显，波基本上沿直线传播；当波长大于或等于障碍物或孔隙的尺寸时，衍射现象明显，波会绕过障碍物或孔隙继续传播，形成衍射波。超声波的干涉特性波的叠加两列或多列超声波相遇时，会发生叠加现象，形成干涉。相位一致当波峰与波峰相遇，波谷与波谷相遇时，振幅加强，形成加强干涉。相位相反当波峰与波谷相遇时，振幅减弱，形成减弱干涉。干涉现象超声波干涉现象在超声波探测和成像中得到广泛应用。超声波的衰减特性能量损失超声波在传播过程中会因介质吸收、散射等因素而损失能量。衰减程度衰减程度与传播距离、频率、介质特性等因素有关，频率越高，衰减越快。能量衰减能量衰减会导致声强减弱，信噪比降低，影响检测结果。影响衰减的主要因素1介质特性介质的密度和粘度会影响超声波的传播速度和衰减程度。2频率频率越高，衰减越快，因为超声波能量更容易被介质吸收。3温度温度升高会导致介质的吸收系数增加，从而增加超声波的衰减。4距离超声波传播的距离越远，衰减越大，因为能量随着距离的增加而分散。超声波的吸收特性介质吸收当超声波在介质中传播时，其能量会逐渐被介质吸收，导致声强衰减。吸收程度与介质的性质、超声波频率和传播距离有关。能量转化吸收的能量转化为其他形式的能量，例如热能或机械能。吸收特性对超声波检测和成像等应用产生重要影响。超声波的非线性特性声速变化超声波在高强度条件下，声速会发生变化，这是非线性特性的表现。声波传播路径弯曲高强度超声波传播时，路径会发生弯曲，这是由于声速非线性变化造成的。谐波产生高强度超声波传播过程中，会产生新的频率成分，称为谐波，这是非线性效应的表现。超声波的声辐射特性声辐射特性超声波是一种机械波，它可以通过介质传播。超声波的声辐射特性是指超声波在传播过程中，其声能如何分布和辐射的情况。声压幅度声压幅度是指超声波传播过程中，介质中压强变化的幅度。声压幅度的大小与超声波的能量、频率和传播距离有关。声强分布声强分布是指超声波传播过程中，声能分布的情况。声强分布与超声波的波形、介质的特性和传播距离有关。超声波换能器的工作原理1电能转化将电能转换为机械振动能量2机械振动压电材料发生形变，产生超声波3超声波产生振动频率超过20kHz，形成超声波超声波换能器是一种将电能转换为超声波能量，或将超声波能量转换为电能的装置。换能器利用压电效应，当电场作用于压电材料时，材料会发生形变，产生机械振动。反之，当压电材料受到机械振动时，也会产生电场。换能器通过控制电场和机械振动之间的转换，实现电能和超声波能量之间的转换。压电效应和压电材料压电效应压电效应是指某些材料在外力作用下发生形变时，其内部会产生电极化的现象，从而在材料两端产生电势差。压电材料压电材料是指具有压电效应的材料，例如石英、压电陶瓷等。压电效应的应用压电效应在超声波换能器、传感器、电子设备等领域有着广泛的应用。常见的超声波换能器压电式换能器利用压电材料的压电效应将电能转化为机械振动或反之，广泛应用于超声波检测、医疗诊断、无损检测等领域。电磁式换能器利用电磁感应原理工作，通过电磁线圈的电流变化产生磁场，从而推动振动板产生超声波。磁致伸缩式换能器利用磁致伸缩材料在外磁场作用下发生尺寸变化的特性，实现电能和机械能的相互转换。电容式换能器利用电容的变化来产生超声波，具有高灵敏度、宽频带的特点。超声波换能器的选择1频率超声波换能器的频率决定其波长，影响穿透深度和分辨率。频率越高，波长越短，分辨率越高，但穿透深度越浅。2尺寸换能器的尺寸决定了声束的大小和方向性。尺寸越大，声束越宽，方向性越差。尺寸越小，声束越窄，方向性越好。3材料换能器材料决定其性能和应用范围。压电陶瓷是常用的材料，具有良好的压电效应和机械强度。其他材料如聚合物和复合材料也应用于某些场合。4灵敏度换能器的灵敏度决定了它接收和发送声波的能力。灵敏度越高，接收和发送信号的强度越强，信噪比越高。超声波换能器的耦合耦合介质的选择耦合介质的阻抗应与换能器和被测物体阻抗相匹配，以最大限度地减少能量损失。常用的耦合介质包括水、油、甘油、耦合剂等。耦合方法常用的耦合方法包括浸入法、接触法、空气耦合法等。浸入法适用于对液体样品的检测，接触法则适用于对固体样品的检测。超声波检测的基本原理声波传播特性超声波在介质中传播时会遇到反射、折射、衍射和吸收等现象。回波信号分析利用超声波探头发射声波，接收来自缺陷或材料界面的回波信号。缺陷特征分析通过分析回波信号的幅度、时间、形状等特征，可以判断缺陷的大小、形状和位置。图像显示将回波信号处理后，以图像形式显示，便于直观地观察缺陷信息。超声波检测的主要方式脉冲回波法脉冲回波法是最常用的超声波检测方法，它利用超声波脉冲在被测物体内部的传播和反射，通过接收反射波的信号来检测物体内部的缺陷和结构。透射法透射法主要用于检测薄壁材料，利用超声波通过被测物体时，其强度和速度的变化来判断物体内部是否有缺陷或结构变化。共振法共振法主要用于测量材料的弹性模量和厚度，利用超声波在物体内部产生的共振现象，通过测量共振频率来确定材料的特性。声速法声速法是通过测量超声波在材料中的传播速度来确定材料的性质和状态，例如材料的密度、弹性模量等。回波法在检测中的应用基本原理回波法利用超声波在材料内部传播时产生的反射信号来检测材料的内部结构和缺陷。当超声波遇到材料内部的缺陷或不同介质的界面时，就会发生反射，并产生回波信号。应用领域回波法广泛应用于材料无损检测、医疗诊断、声纳等领域。例如，在材料无损检测中，回波法可以用来检测钢材、铝合金、塑料等材料的内部缺陷，如裂纹、气孔、夹杂物等。透射法在检测中的应用材料厚度测量透射法用于测量材料的厚度，尤其适用于薄材料，例如薄膜或纸张。液体性质检测通过测量超声波在液体中的传播时间和衰减，可以检测液体的密度、粘度、温度等性质。管道缺陷检测用于检测管道内部的缺陷，如裂缝、腐蚀等，判断管道是否安全可靠。机械零部件检测可用于检测机械零部件的内部缺陷，例如内部裂纹、气孔等，确保产品质量。阵列式换能器在检测中的应用1提高检测效率多个换能器同时工作，缩短检测时间，提高检测效率。2增强检测精度阵列换能器可以实现多角度扫描，提高检测精度，识别微小缺陷。3扩展检测范围阵列换能器可覆盖更大检测区域，适合复杂结构的检测。4提高检测灵活性阵列换能器可根据需要调整探头排列方式，灵活适应不同检测需求。超声波成像的基本原理超声波成像利用超声波的反射和折射特性，将人体内部结构转换成图像。1超声波发射超声波换能器发射超声波2超声波传播超声波穿过人体组织3反射和折射超声波遇到不同组织结构反射或折射4信号接收换能器接收反射回波5图像重建计算机处理信号生成图像超声波成像的主要方式A型扫描A型扫描是超声波成像的一种基本方法，它通过显示回波信号的振幅来反映组织的结构和密度变化。B型扫描B型扫描是一种常用的超声成像方式，它通过显示回波信号的强度来构建二维图像，可以清晰地显示组织的形态结构。多普勒扫描多普勒扫描利用超声波的多普勒效应来测量血液流动速度，是评估心脏、血管等器官功能的重要手段。B超成像技术11.声波反射超声波遇到组织边界时会发生反射，形成回声信号。22.图像重建回声信号被接收并处理，重建成二维图像。33.组织特性不同组织对超声波的反射和吸收不同，形成图像上的灰度差异。44.医学诊断B超成像广泛应用于医学诊断，如胎儿监测、器官检查等。多普勒超声成像技术多普勒效应多普勒超声成像利用多普勒效应来测量血液流动速度和方向。当超声波束遇到移动的物体时，反射波的频率会发生变化，频率的变化与物体的速度成正比。应用领域多普勒超声成像广泛应用于心脏病学、血管外科、妇产科和神经外科等领域。它可以帮助医生评估心脏瓣膜功能、血管狭窄程度、胎儿心脏发育和脑血管疾病等。声学显微镜在超声成像中的应用声学显微镜利用高频超声波来扫描样品，生成样品的图像。它能够提供高分辨率的图像，并能够穿透不透明材料。声学显微镜在生物医学领域有着广泛的应用，例如用于观察生物组织、细胞和亚细胞结构。它还可以用于检测各种疾病，例如癌症、心血管疾病和神经系统疾病。声学显微镜也广泛应用于材料科学和工程领域，例如用于观察材料内部结构、缺陷和裂纹，以及评估材料的性能和可靠性。超声波在工业中的应用超声波清洗超声波清洗广泛应用于电子、精密机械、医疗器械等领域。超声波清洗技术能够有效去除物体表面的污垢，提升产品质量和精度。超声波焊接超声波焊接是一种非接触式焊接技术，应用于塑料、金属等材料的焊接。超声波焊接技术具有效率高、焊缝美观、无污染等优点。超声波切割超声