淺談超聲波原理及其應用

摘要：介紹超聲波產生與傳播及其原理，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，希望對后來做實驗的同學對這個實驗有所幫助與啟發，更好的完成這個實驗。

關鍵詞：超聲波產生原理；發展及其應用；經驗與總結

【中圖分類號】R445.1【文獻標識碼】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代醫療技術的應用，并對其在未來的發展進行了展望。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內傳播，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，在一定距離內沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。

二、發展及應用：

早在1830年，F·Savart曾用齒輪，第一次產生HZ的超聲，1876年F·Galton用氣哨產生Hz 的超聲。1912年4月10日，泰坦尼克號觸冰山沉沒，引起科學界注意，希望可以探測到水下的冰山。直到第一次世界大戰中，德國大量使用潛艇，擊沉了協約國大量艦船，探測潛艇的任務又提到科學家的面前[1]。當時的科學家郎之萬和他的朋友利用當時已出現的功率很大的放大器和石英壓電晶體結合起來，能向水下發射幾十千赫茲的超聲波，成功的將超聲波應用到實際中。 現在，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、無損檢測、醫學診斷等領域發揮著不可取代的獨特作用。例如：在海洋應用中，超聲波可以用來探測魚群和冰山，可以用于潛艇導航或傳送信息、地形地貌測繪和地質勘探等。在檢測中，利用超聲波檢測固體材料內部缺陷、材料尺寸測量、物理參數側量等。在醫學中，可以利用超聲波進行人體內部器官的組織結構掃描和血流速度的測量等。

超聲波掃描術的兩個重要分支——多普勒超聲波掃描術和立體超聲波成像技術，更擴大了超聲波在醫學上的用途。

多普勒超聲波掃描術已應用了頗長的時間，這技術利用了波動的多普勒效應。反射超聲波物體的運動，會改變回聲的頻率，當物體正向著接收器移動時，頻率便會升高，相反當物體正在遠去時，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。這有助醫生及早發現胎兒先天性心臟毛病。

立體超聲波成像技術是很新的技術。檢查員首先從多個不同角度拍攝胎兒的二維超聲波影像，然後利用電腦技術合成胎兒的立體影像。利用這技術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身等動態，實在為準父母帶來不少驚喜。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。立體成像技術將會成為未來超聲波技術研究的重點。

三、專題內容：

超聲波的產生：

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

石英晶體結構 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

超聲波波型及換能器種類通常有如下三種：

縱波波型：當介質中質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。任何固體介質當其體積發生交替變化時均能產生縱波。橫波波型：當介質中質點的振動方向與超聲波垂直時，此種超聲波為橫波波型。由于固體介質除了能承受體積變形外，還能夠承受切變變形。當其中剪切力交替作用于固體介質時均能產生橫波。橫波只能在固體介質中傳播。

表面波波型：是沿著固體表面傳播的具有縱波和橫波的雙重性質的波。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，質點振動的振幅已經很微弱了。

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射超聲波；吸收背襯的作用是吸收晶片向背面發射的聲波，以減少雜波；匹配電感的作用是調整脈沖波的波形。一般，直探頭產生縱波，斜探頭產生橫波或表面波。另一種可變角探頭，如圖1-4所示。其中探頭芯可以旋轉，通過改變探頭的入射角，得到不同折射角的斜探頭。當 =0時成為直探頭。注意事項：

開始實驗前應先調整好超聲波實驗儀與示波器，時產生的超聲波頻率適合，產生的圖形清晰易于觀察。應注意讀取時間間隔時應左右移動相應探頭，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。應多次測量取其平均值，減小誤差。數據處理代入公式時應注意單位之間的轉換。

實驗中涉及的部分重要公式：

結語：

超聲波原理及其應用實驗是一個要求認真細心的實驗，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格了，尤其是第三次試驗，操作要求精確，數據測量多，所以需要前兩次要好好練習打好基礎，并且第三次前好好預習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，非常熟悉一起的使用，并且左前好好用心預習，只有這樣才會缺的一個讓老師和自己都滿意的結果。

參考文獻

[1]應崇福， 查濟璇. 超聲和它的眾多應用[M]. 長沙：湖南教育出版社，1994

[2]范百剛. 超聲原理與應用[M]. 南京： 江蘇科學技術出版社， 1984