淺談超聲波原理及其應(yīng)用

摘要：介紹超聲波產(chǎn)生與傳播及其原理，比簡單介紹了在操作過程中涉及的知識點，通過對自己的動手操作過程反思與總結(jié)，希望對后來做實驗的同學(xué)對這個實驗有所幫助與啟發(fā)，更好的完成這個實驗。

關(guān)鍵詞：超聲波產(chǎn)生原理；發(fā)展及其應(yīng)用；經(jīng)驗與總結(jié)

【中圖分類號】R445.1【文獻標(biāo)識碼】C【文章編號】1002-3763（2014）01-0081-01

一、什么是超聲波

超聲波是頻率高于2000HZ的聲波，在傳播過程中具有方向性好、功率大、穿透性強，會引起空化作用等特點。文章結(jié)合超聲波原理及其在傳播過程中特性，著重分析探討了超聲波在現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)的應(yīng)用，并對其在未來的發(fā)展進行了展望。超聲波是指頻率在所謂超聲波，是指人耳聽不見的聲波。正常人的聽覺可以聽到20赫茲（Hz）-20千赫茲（kHz）的聲波，低于20赫茲的聲波稱為次聲波或亞聲波，超過20千赫茲的聲波稱為超聲波[4]。超聲波是聲波大家族中的一員，和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點都是一種機械振動，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)傳播，是一種能量和動量的傳播形式，其不同點是超聲頻率高，波長短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。

二、發(fā)展及應(yīng)用：

早在1830年，F(xiàn)·Savart曾用齒輪，第一次產(chǎn)生HZ的超聲，1876年F·Galton用氣哨產(chǎn)生Hz 的超聲。1912年4月10日，泰坦尼克號觸冰山沉沒，引起科學(xué)界注意，希望可以探測到水下的冰山。直到第一次世界大戰(zhàn)中，德國大量使用潛艇，擊沉了協(xié)約國大量艦船，探測潛艇的任務(wù)又提到科學(xué)家的面前[1]。當(dāng)時的科學(xué)家郎之萬和他的朋友利用當(dāng)時已出現(xiàn)的功率很大的放大器和石英壓電晶體結(jié)合起來，能向水下發(fā)射幾十千赫茲的超聲波，成功的將超聲波應(yīng)用到實際中。 現(xiàn)在，超聲波測試把超聲波作為一種信息載體，它已在海洋探測與開發(fā)、無損檢測、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域發(fā)揮著不可取代的獨特作用。例如：在海洋應(yīng)用中，超聲波可以用來探測魚群和冰山，可以用于潛艇導(dǎo)航或傳送信息、地形地貌測繪和地質(zhì)勘探等。在檢測中，利用超聲波檢測固體材料內(nèi)部缺陷、材料尺寸測量、物理參數(shù)側(cè)量等。在醫(yī)學(xué)中，可以利用超聲波進行人體內(nèi)部器官的組織結(jié)構(gòu)掃描和血流速度的測量等。

超聲波掃描術(shù)的兩個重要分支——多普勒超聲波掃描術(shù)和立體超聲波成像技術(shù)，更擴大了超聲波在醫(yī)學(xué)上的用途。

多普勒超聲波掃描術(shù)已應(yīng)用了頗長的時間，這技術(shù)利用了波動的多普勒效應(yīng)。反射超聲波物體的運動，會改變回聲的頻率，當(dāng)物體正向著接收器移動時，頻率便會升高，相反當(dāng)物體正在遠去時，頻率便會降低。從回聲的頻率改變，儀器便可計算到物體的運動速度。多普勒超聲波掃描術(shù)主要用於檢查血液在心臟及主要動脈中的流動速度。血液的流動情況會以一個顏色的影像顯示出來，不同的顏色代表不同的流速。這有助醫(yī)生及早發(fā)現(xiàn)胎兒先天性心臟毛病。

立體超聲波成像技術(shù)是很新的技術(shù)。檢查員首先從多個不同角度拍攝胎兒的二維超聲波影像，然後利用電腦技術(shù)合成胎兒的立體影像。利用這技術(shù)可清晰地顯示胎兒的樣貌，甚至攝錄到胎兒細致如踢腳或轉(zhuǎn)身等動態(tài)，實在為準(zhǔn)父母帶來不少驚喜。外表的缺憾如兔唇、多指甚至細如斑痣等都可以清楚地顯示出來。立體成像技術(shù)將會成為未來超聲波技術(shù)研究的重點。

三、專題內(nèi)容：

超聲波的產(chǎn)生：

壓電效應(yīng)：某些固體物質(zhì)，在壓力（或拉力）的作用下產(chǎn)生形變，從而使物質(zhì)本身極化，在物體相對的表面出現(xiàn)正、負束縛電荷，這一效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。其物理機理如圖1-1所示。通常具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)同時也具有逆壓電效應(yīng)，即當(dāng)對施加電壓后會發(fā)生變形。超聲波探頭利用逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波，而利用壓電效應(yīng)接收超聲波。

石英晶體結(jié)構(gòu) 拉力作用下的極化 晶體的宏觀極化

圖1-1 石英晶體的壓電效應(yīng)

超聲波波型及換能器種類通常有如下三種：

縱波波型：當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點振動方向與超聲波的傳播方向一致時，此超聲波為縱波波型。任何固體介質(zhì)當(dāng)其體積發(fā)生交替變化時均能產(chǎn)生縱波。橫波波型：當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向與超聲波垂直時，此種超聲波為橫波波型。由于固體介質(zhì)除了能承受體積變形外，還能夠承受切變變形。當(dāng)其中剪切力交替作用于固體介質(zhì)時均能產(chǎn)生橫波。橫波只能在固體介質(zhì)中傳播。

表面波波型：是沿著固體表面?zhèn)鞑サ木哂锌v波和橫波的雙重性質(zhì)的波。表面波可以看成是由平行于表面的縱波和垂直于橫波的橫波合成，振動質(zhì)點的軌跡為一橢圓，在距表面1/4波長深處振幅最強，隨著深度的增加很快率減，實際上離表面一個波長以上的地方，質(zhì)點振動的振幅已經(jīng)很微弱了。

常用的超聲波探頭有直探頭和斜探頭兩種。探頭通過保護膜或斜楔向外發(fā)射超聲波；吸收背襯的作用是吸收晶片向背面發(fā)射的聲波，以減少雜波；匹配電感的作用是調(diào)整脈沖波的波形。一般，直探頭產(chǎn)生縱波，斜探頭產(chǎn)生橫波或表面波。另一種可變角探頭，如圖1-4所示。其中探頭芯可以旋轉(zhuǎn)，通過改變探頭的入射角，得到不同折射角的斜探頭。當(dāng) =0時成為直探頭。注意事項：

開始實驗前應(yīng)先調(diào)整好超聲波實驗儀與示波器，時產(chǎn)生的超聲波頻率適合，產(chǎn)生的圖形清晰易于觀察。應(yīng)注意讀取時間間隔時應(yīng)左右移動相應(yīng)探頭，按要求使其振幅達到要求的最大或最大振幅的一半在進行讀數(shù)。應(yīng)多次測量取其平均值，減小誤差。數(shù)據(jù)處理代入公式時應(yīng)注意單位之間的轉(zhuǎn)換。

實驗中涉及的部分重要公式：

結(jié)語：

超聲波原理及其應(yīng)用實驗是一個要求認(rèn)真細心的實驗，我們做的三個小實驗安排很合理，按著由淺入深的順序，先是入門，讓我們接觸與熟悉它，慢慢的便深入要求更嚴(yán)格了，尤其是第三次試驗，操作要求精確，數(shù)據(jù)測量多，所以需要前兩次要好好練習(xí)打好基礎(chǔ)，并且第三次前好好預(yù)習(xí)才能不會在做實驗時手忙腳亂，總的來說對我這此實驗做得好是很滿意，每次都是前三個做好實驗。所以我建議以后的同學(xué)在在做這個實驗時，一定第一次和第二次試驗好好做，打好基礎(chǔ)，非常熟悉一起的使用，并且左前好好用心預(yù)習(xí)，只有這樣才會缺的一個讓老師和自己都滿意的結(jié)果。

參考文獻

[1]應(yīng)崇福， 查濟璇. 超聲和它的眾多應(yīng)用[M]. 長沙：湖南教育出版社，1994

[2]范百剛. 超聲原理與應(yīng)用[M]. 南京： 江蘇科學(xué)技術(shù)出版社， 1984