《超聲波概念及特性》課件

超聲波概念及特性超聲波是一種頻率高于20kHz的聲波，人耳無法聽到。超聲波在許多領域都有應用，例如醫(yī)療診斷、工業(yè)檢測和聲納系統(tǒng)。什么是超聲波？定義超聲波是指頻率高于20kHz的聲波。人類無法聽到超聲波，但很多動物，例如蝙蝠和海豚，可以聽到超聲波。特性超聲波具有很強的方向性，可以用來探測物體，例如在醫(yī)療診斷中使用超聲波來掃描人體內部器官。超聲波的特點高頻超聲波的頻率遠高于人類聽覺的范圍，通常超過20kHz。方向性強超聲波在傳播過程中，波束集中，方向性強，能量集中于波束方向。穿透力強超聲波的波長較短，穿透力比聲波強，能穿透許多不透明的物質。能量高超聲波的振幅大，能量高，能產生強大的沖擊力和空化效應。超聲波的波長范圍超聲波的波長范圍與頻率成反比，頻率越高，波長越短。超聲波的波長范圍通常在毫米到微米之間。超聲波的頻率范圍20kHz下限超聲波頻率范圍的下限通常定義為20kHz100GHz上限理論上，超聲波頻率的上限可以達到100GHz，實際應用中可達GHz級超聲波波速的影響因素介質的性質超聲波波速取決于介質的密度、彈性模量和剪切模量。不同的介質有不同的波速。溫度溫度越高，分子運動越劇烈，介質的彈性模量降低，導致波速減慢。壓力壓力增加，介質的密度和彈性模量增加，導致波速加快。頻率超聲波頻率越高，波速越快，但這種影響通常比較微弱。超聲波的傳播特性1直線傳播在均勻介質中，超聲波沿直線傳播。2反射和折射當超聲波遇到兩種不同介質的界面時，會發(fā)生反射和折射現象。3衍射現象當超聲波遇到障礙物或孔隙時，會發(fā)生衍射現象，繞過障礙物或孔隙繼續(xù)傳播。4衰減超聲波在傳播過程中，能量會逐漸衰減，導致聲強減弱。超聲波的反射和折射反射超聲波遇到不同介質界面時，部分能量會反射回原介質，形成反射波。折射超聲波從一種介質傳播到另一種介質時，傳播方向會發(fā)生改變，即發(fā)生折射現象。反射和折射規(guī)律反射和折射的規(guī)律可以用斯涅耳定律和惠更斯原理來解釋。超聲波的衍射現象超聲波在傳播過程中遇到障礙物時，會發(fā)生衍射現象。衍射是指波在傳播過程中遇到障礙物或孔隙時，會偏離直線傳播路徑的現象。超聲波的衍射現象與波長和障礙物或孔隙的尺寸有關。當波長小于障礙物或孔隙的尺寸時，衍射現象不明顯，波基本上沿直線傳播；當波長大于或等于障礙物或孔隙的尺寸時，衍射現象明顯，波會繞過障礙物或孔隙繼續(xù)傳播，形成衍射波。超聲波的干涉特性波的疊加兩列或多列超聲波相遇時，會發(fā)生疊加現象，形成干涉。相位一致當波峰與波峰相遇，波谷與波谷相遇時，振幅加強，形成加強干涉。相位相反當波峰與波谷相遇時，振幅減弱，形成減弱干涉。干涉現象超聲波干涉現象在超聲波探測和成像中得到廣泛應用。超聲波的衰減特性能量損失超聲波在傳播過程中會因介質吸收、散射等因素而損失能量。衰減程度衰減程度與傳播距離、頻率、介質特性等因素有關，頻率越高，衰減越快。能量衰減能量衰減會導致聲強減弱，信噪比降低，影響檢測結果。影響衰減的主要因素1介質特性介質的密度和粘度會影響超聲波的傳播速度和衰減程度。2頻率頻率越高，衰減越快，因為超聲波能量更容易被介質吸收。3溫度溫度升高會導致介質的吸收系數增加，從而增加超聲波的衰減。4距離超聲波傳播的距離越遠，衰減越大，因為能量隨著距離的增加而分散。超聲波的吸收特性介質吸收當超聲波在介質中傳播時，其能量會逐漸被介質吸收，導致聲強衰減。吸收程度與介質的性質、超聲波頻率和傳播距離有關。能量轉化吸收的能量轉化為其他形式的能量，例如熱能或機械能。吸收特性對超聲波檢測和成像等應用產生重要影響。超聲波的非線性特性聲速變化超聲波在高強度條件下，聲速會發(fā)生變化，這是非線性特性的表現。聲波傳播路徑彎曲高強度超聲波傳播時，路徑會發(fā)生彎曲，這是由于聲速非線性變化造成的。諧波產生高強度超聲波傳播過程中，會產生新的頻率成分，稱為諧波，這是非線性效應的表現。超聲波的聲輻射特性聲輻射特性超聲波是一種機械波，它可以通過介質傳播。超聲波的聲輻射特性是指超聲波在傳播過程中，其聲能如何分布和輻射的情況。聲壓幅度聲壓幅度是指超聲波傳播過程中，介質中壓強變化的幅度。聲壓幅度的大小與超聲波的能量、頻率和傳播距離有關。聲強分布聲強分布是指超聲波傳播過程中，聲能分布的情況。聲強分布與超聲波的波形、介質的特性和傳播距離有關。超聲波換能器的工作原理1電能轉化將電能轉換為機械振動能量2機械振動壓電材料發(fā)生形變，產生超聲波3超聲波產生振動頻率超過20kHz，形成超聲波超聲波換能器是一種將電能轉換為超聲波能量，或將超聲波能量轉換為電能的裝置。換能器利用壓電效應，當電場作用于壓電材料時，材料會發(fā)生形變，產生機械振動。反之，當壓電材料受到機械振動時，也會產生電場。換能器通過控制電場和機械振動之間的轉換，實現電能和超聲波能量之間的轉換。壓電效應和壓電材料壓電效應壓電效應是指某些材料在外力作用下發(fā)生形變時，其內部會產生電極化的現象，從而在材料兩端產生電勢差。壓電材料壓電材料是指具有壓電效應的材料，例如石英、壓電陶瓷等。壓電效應的應用壓電效應在超聲波換能器、傳感器、電子設備等領域有著廣泛的應用。常見的超聲波換能器壓電式換能器利用壓電材料的壓電效應將電能轉化為機械振動或反之，廣泛應用于超聲波檢測、醫(yī)療診斷、無損檢測等領域。電磁式換能器利用電磁感應原理工作，通過電磁線圈的電流變化產生磁場，從而推動振動板產生超聲波。磁致伸縮式換能器利用磁致伸縮材料在外磁場作用下發(fā)生尺寸變化的特性，實現電能和機械能的相互轉換。電容式換能器利用電容的變化來產生超聲波，具有高靈敏度、寬頻帶的特點。超聲波換能器的選擇1頻率超聲波換能器的頻率決定其波長，影響穿透深度和分辨率。頻率越高，波長越短，分辨率越高，但穿透深度越淺。2尺寸換能器的尺寸決定了聲束的大小和方向性。尺寸越大，聲束越寬，方向性越差。尺寸越小，聲束越窄，方向性越好。3材料換能器材料決定其性能和應用范圍。壓電陶瓷是常用的材料，具有良好的壓電效應和機械強度。其他材料如聚合物和復合材料也應用于某些場合。4靈敏度換能器的靈敏度決定了它接收和發(fā)送聲波的能力。靈敏度越高，接收和發(fā)送信號的強度越強，信噪比越高。超聲波換能器的耦合耦合介質的選擇耦合介質的阻抗應與換能器和被測物體阻抗相匹配，以最大限度地減少能量損失。常用的耦合介質包括水、油、甘油、耦合劑等。耦合方法常用的耦合方法包括浸入法、接觸法、空氣耦合法等。浸入法適用于對液體樣品的檢測，接觸法則適用于對固體樣品的檢測。超聲波檢測的基本原理聲波傳播特性超聲波在介質中傳播時會遇到反射、折射、衍射和吸收等現象?；夭ㄐ盘柗治隼贸暡ㄌ筋^發(fā)射聲波，接收來自缺陷或材料界面的回波信號。缺陷特征分析通過分析回波信號的幅度、時間、形狀等特征，可以判斷缺陷的大小、形狀和位置。圖像顯示將回波信號處理后，以圖像形式顯示，便于直觀地觀察缺陷信息。超聲波檢測的主要方式脈沖回波法脈沖回波法是最常用的超聲波檢測方法，它利用超聲波脈沖在被測物體內部的傳播和反射，通過接收反射波的信號來檢測物體內部的缺陷和結構。透射法透射法主要用于檢測薄壁材料，利用超聲波通過被測物體時，其強度和速度的變化來判斷物體內部是否有缺陷或結構變化。共振法共振法主要用于測量材料的彈性模量和厚度，利用超聲波在物體內部產生的共振現象，通過測量共振頻率來確定材料的特性。聲速法聲速法是通過測量超聲波在材料中的傳播速度來確定材料的性質和狀態(tài)，例如材料的密度、彈性模量等。回波法在檢測中的應用基本原理回波法利用超聲波在材料內部傳播時產生的反射信號來檢測材料的內部結構和缺陷。當超聲波遇到材料內部的缺陷或不同介質的界面時，就會發(fā)生反射，并產生回波信號。應用領域回波法廣泛應用于材料無損檢測、醫(yī)療診斷、聲納等領域。例如，在材料無損檢測中，回波法可以用來檢測鋼材、鋁合金、塑料等材料的內部缺陷，如裂紋、氣孔、夾雜物等。透射法在檢測中的應用材料厚度測量透射法用于測量材料的厚度，尤其適用于薄材料，例如薄膜或紙張。液體性質檢測通過測量超聲波在液體中的傳播時間和衰減，可以檢測液體的密度、粘度、溫度等性質。管道缺陷檢測用于檢測管道內部的缺陷，如裂縫、腐蝕等，判斷管道是否安全可靠。機械零部件檢測可用于檢測機械零部件的內部缺陷，例如內部裂紋、氣孔等，確保產品質量。陣列式換能器在檢測中的應用1提高檢測效率多個換能器同時工作，縮短檢測時間，提高檢測效率。2增強檢測精度陣列換能器可以實現多角度掃描，提高檢測精度，識別微小缺陷。3擴展檢測范圍陣列換能器可覆蓋更大檢測區(qū)域，適合復雜結構的檢測。4提高檢測靈活性陣列換能器可根據需要調整探頭排列方式，靈活適應不同檢測需求。超聲波成像的基本原理超聲波成像利用超聲波的反射和折射特性，將人體內部結構轉換成圖像。1超聲波發(fā)射超聲波換能器發(fā)射超聲波2超聲波傳播超聲波穿過人體組織3反射和折射超聲波遇到不同組織結構反射或折射4信號接收換能器接收反射回波5圖像重建計算機處理信號生成圖像超聲波成像的主要方式A型掃描A型掃描是超聲波成像的一種基本方法，它通過顯示回波信號的振幅來反映組織的結構和密度變化。B型掃描B型掃描是一種常用的超聲成像方式，它通過顯示回波信號的強度來構建二維圖像，可以清晰地顯示組織的形態(tài)結構。多普勒掃描多普勒掃描利用超聲波的多普勒效應來測量血液流動速度，是評估心臟、血管等器官功能的重要手段。B超成像技術11.聲波反射超聲波遇到組織邊界時會發(fā)生反射，形成回聲信號。22.圖像重建回聲信號被接收并處理，重建成二維圖像。33.組織特性不同組織對超聲波的反射和吸收不同，形成圖像上的灰度差異。44.醫(yī)學診斷B超成像廣泛應用于醫(yī)學診斷，如胎兒監(jiān)測、器官檢查等。多普勒超聲成像技術多普勒效應多普勒超聲成像利用多普勒效應來測量血液流動速度和方向。當超聲波束遇到移動的物體時，反射波的頻率會發(fā)生變化，頻率的變化與物體的速度成正比。應用領域多普勒超聲成像廣泛應用于心臟病學、血管外科、婦產科和神經外科等領域。它可以幫助醫(yī)生評估心臟瓣膜功能、血管狹窄程度、胎兒心臟發(fā)育和腦血管疾病等。聲學顯微鏡在超聲成像中的應用聲學顯微鏡利用高頻超聲波來掃描樣品，生成樣品的圖像。它能夠提供高分辨率的圖像，并能夠穿透不透明材料。聲學顯微鏡在生物醫(yī)學領域有著廣泛的應用，例如用于觀察生物組織、細胞和亞細胞結構。它還可以用于檢測各種疾病，例如癌癥、心血管疾病和神經系統(tǒng)疾病。聲學顯微鏡也廣泛應用于材料科學和工程領域，例如用于觀察材料內部結構、缺陷和裂紋，以及評估材料的性能和可靠性。超聲波在工業(yè)中的應用超聲波清洗超聲波清洗廣泛應用于電子、精密機械、醫(yī)療器械等領域。超聲波清洗技術能夠有效去除物體表面的污垢，提升產品質量和精度。超聲波焊接超聲波焊接是一種非接觸式焊接技術，應用于塑料、金屬等材料的焊接。超聲波焊接技術具有效率高、焊縫美觀、無污染等優(yōu)點。超聲波切割超聲