《超声波技术及应用》PPT课件

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1、超 声 波 原 理 及 应 用广 州 市 番 禺 奥 迪 威 电 子 有 限 公 司 目 录n 超 声 波 简 介n 压 电 陶 瓷 简 介 自 然 界 中 的 超 声 波 超 声 波 的 类 型n 纵 波n 横 波n 表 面 波n 板 波 表 面 波n 表 面 波 主 要 是 指 沿 介 质 表 面传 递 ， 而 介 质 的 质 点 沿 椭 圆形 轨 迹 振 动 的 波 。n 表 面 波 是 一 种 瑞 利 波 。 板 波 在 板 厚 与 波 长 相 当 的 薄 板 中 传 播 的 波 。 根 据 质 点的 振 动 方 向 不 同 可 将 板 波 分 为 SH波 和 兰 姆 波 。 SH波

2、： 水 平 偏 振 的 横 波 在 薄 板 中 传 播 的 波 。 薄 板中 各 质 点 的 振 动 方 向 平 行 于 板 面 而 垂 直 于 波 的 传 播 方向 ， 相 当 于 固 体 介 质 表 面 中 的 横 波 。 兰 姆 波 ： 兰 姆 波 又 分 为 对 称 型 和 非 对 称 型 。 对 称 型 兰 姆 波 的 特 点 是 薄 板 中 心 质 点 作 纵 向 振 动 ，上 下 表 面 质 点 作 椭 圆 运 动 、 振 动 相 位 相 反 并 对 称 于 中心 。 非 对 称 型 兰 姆 波 特 点 是 薄 板 中 心 质 点 作 横 向 振 动 ，上 下 表 面 质 点 作

3、 椭 圆 运 动 、 相 位 相 同 。 超 声 波 的 特 点 （ 1）n 超 声 波 可 以 在 气 体 、 液 体 、 固 体 、 固 熔 体 等 介 质 中 有效 传 播n 超 声 波 可 以 携 带 较 多 的 能 量n 超 声 波 的 传 播 具 有 方 向 性n 超 声 波 在 界 面 上 会 产 生 折 射 和 反 射 ， 而 且 可 能 会 改 变振 动 模 式 。n 超 声 波 在 液 体 中 可 以 产 生 空 化 效 应n 超 声 波 具 有 多 普 勒 效 应 超 声 波 的 特 点 （ 2）n 容 易 衰 减 （ 在 液 体 和 固 体 中 衰 减 较 小 ）n 传

4、 播 速 度 受 温 度 影 响n 在 两 种 不 同 介 质 的 界 面 处 反 射 强 烈 ， 在 许 多 场合 必 须 使 用 耦 合 剂 或 匹 配 材 料 。n 超 声 波 可 以 聚 焦 。 超 声 波 的 产 生 机 制n 电 磁 振 动n 磁 致 伸 缩 效 应n 压 电 效 应n 静 电 引 力n 其 它 形 式 的 机 械 振 动 超 声 波 效 应n 机 械 效 效 应 ： 清 洗 、 加 工 、 抛 光n 声 学 效 应 ： 超 声 波 探 测 n 热 效 应 ： 超 声 波 焊 接n 空 化 效 应 ： 乳 化 、 雾 化n 化 学 效 应 ： n 例 如 纯 的 蒸

5、 馏 水 经 超 声 处 理 后 产 生 过 氧 化 氢 ； 溶 有 氮 气 的 水 经 超 声 处 理 后 产 生 亚硝 酸 ； 染 料 的 水 溶 液 经 超 声 处 理 后 会 变 色 或 退 色 。n 生 物 效 应 ： 加 快 植 物 种 子 发 芽 超 声 波 的 相 关 术 语n 声 场n 发 射 角n 声 阻 抗n 声 匹 配n 衰 减 系 数 声 场 发 射 角n 超 声 波 的 传 播 具 有 方 向 性 ，n 发 射 角 与 波 长 和 换 能 片 尺 寸 相 关 。n 频 率 越 高 、 直 径 越 大 波 束 角 越 小 。 声 阻 抗n 超 声 场 中 任 一 点

6、的 声 压 与 该 处 质 点 振 动 速 度 之 比 称为 声 阻 抗 ， 常 用 Z表 示 。 Z=p/u=cu/u=cn 超 声 波 在 两 种 介 质 组 成 的 界 面 上 的 反 射 和 透 射 情 况与 两 种 介 质 的 声 阻 抗 密 切 相 关 。 12 20 12 120 2 ZZ ZPpt ZZ ZZPpr tr 声 匹 配n 当 超 声 波 透 过 两 种 不 同 的 介 质 传 播 时 ， 由 于 两 种 介 质的 声 阻 抗 不 同 ， 会 在 界 面 处 形 成 反 射 ， 从 而 影 响 超 声波 的 传 递 。n 为 了 提 高 超 声 波 的 传 递 效

7、果 ， 实 践 上 常 用 的 方 法 是 在两 种 介 质 中 间 增 加 一 个 匹 配 层 。n 固 态 的 的 匹 配 材 料 一 般 叫 匹 配 层 ， 液 态 的 一 般 称 为 耦合 剂 。n 声 匹 配 公 式 ： 超 声 波 的 强 度 （ 能 流 密 度 ） 22222 221 AvfAvwvI I 能 流 密 度 ， 波 的 强 度 ， 瓦 /平 方 米w 能 量 密 度 ， 单 位 焦 耳 /立 方 米v 速 度A 振 幅f 频 率 衰 减 系 数n 超 声 波 在 介 质 中 传 播 会 发 生 衰 减 。 主 要 有 扩 散 衰 减 、散 射 衰 减 和 吸 收 衰

8、 减 。 通 常 所 说 的 衰 减 包 括 散 射 衰减 和 吸 收 衰 减 ， 不 包 括 扩 散 衰 减 。n 以 平 面 波 为 例 ， 其 声 压 衰 减 方 程 为 n 声 压 以 指 数 形 式 衰 减 ， 相 应 的 系 数 被 称 为 衰 减 系 数 。 xx ePP 0 超 声 波 的 应 用n 测 量 ： 距 离 、 流 速 、 流 量 、 厚 度n 探 测 ： 超 声 测 距 、 安 防 探 测 、 医 学 成 像 、 无 损 探 测 、水 下 声 纳 、 地 质 勘 探 、 管 道 检 漏 、 触 摸 屏n 雾 化 ： 加 湿 、 盆 景 、 园 艺 、 消 毒 、n

9、 空 化 ： 炼 油 、 乳 化n 清 洗 ： 珠 宝 、 首 饰 、 精 密 零 件n 加 工 ： 磨 削 、 钻 孔 、 抛 光 、 焊 接n 美 容 ： 按 摩 、 洁 齿n 医 疗 ： 结 石 破 碎 、 医 学 成 像 、 呼 吸 医 疗n 马 达 ： 相 机 镜 头 、 微 位 移 控 制n 生 物 ： 促 进 种 子 发 芽 n 化 学 ： 加 快 酒 类 醇 化 、 加 快 化 学 反 应 速 度 超 声 波 线 缆 测 高 仪 倒 车 雷 达 超 声 波 雾 化 器 超 声 波 雾 化 器 塑 料 点 焊 机n 频 率 ： 28KHZ n 功 率 ： 300W 超 声 波 焊

10、 接 机 多 频 声 化 学 发 生 器 超 声 波 驱 虫 器 超 声 波 圆 筒 式 分 散 仪 超 声 马 达 涂层测厚仪美 国 DeFelsko公 司n 技 术 参 数 :n 测 量 范 围 : 25-1000mn 分 辨 率 : 2m n 精 度 : (2m+3%的 读 数 )n 测 量 速 率 : 45个 读 数 /秒 超声探伤仪 德 国 Krautkramer K.K 公 司 医学超声成像 线阵声纳德国n 基 元 数 :3X96, n 基 阵 长 ： 48米 小 结n 超 声 波 最 大 的 特 点 就 是 可 以 以 振 动 的 方 式 传 递能 量 而 不 影 响 人 类 的

11、 听 觉 。n 超 声 波 的 利 用 主 要 体 现 在 三 个 方 面 ， 一 是 微 幅高 频 振 动 的 利 用 ， 二 是 能 量 传 递 效 果 的 利 用 ，三 是 超 声 信 号 的 利 用 。n 具 体 地 说 ， 就 是 超 声 马 达 、 超 声 换 能 和 超 声 传感 。 目 前 的 大 部 分 超 声 波 应 用 都 可 以 归 结 到 这三 个 类 别 里 面 。 压 电 陶 瓷n 压 电 材 料n 压 电 发 展 历 史n 压 电 材 料 简 介n 常 见 的 压 电 材 料n 压 电 材 料 的 性 能 参 数n 压 电 材 料 应 用 自 然 界 中 的 压

12、 电 材 料 石 英 高 分 子 压 电 材 料 （ 压 电 薄 膜 ） 压 电 陶 瓷 历 史n 1880年 法 国 的 P.Curie和 J. Curie兄 弟 在 研 究 热 电性 与 晶 体 对 称 性 的 关 系 时 发 现 了 正 压 电 效 应 这 一物 理 现 象 ， 他 们 所 报 导 的 这 些 晶 体 中 就 有 后 来 广为 研 究 的 罗 息 盐 (NaKC4H4O6.4H2O酒 石 酸 钾钠 ) 。n 1881年 李 普 曼 (G. Lippman)根 据 能 量 守 恒 和 电 荷量 守 恒 的 原 理 ， 推 测 逆 压 电 效 应 (Converse piez

13、oelectric effect) 的 存 在 ， 这 一 预 言 很 快 就 被居 里 兄 弟 用 实 验 所 证 实 。 后 来 发 现 了 磷 酸 二 氢 钾 、硫 酸 锂 单 水 化 合 物 和 BaTiO3等 重 要 压 电 晶 体 。 n 1916年 朗 之 万 (Langevin)用 压 电 石 英 晶 体 作 成 水下 发 射 和 接 收 换 能 器 ， 这 是 最 早 的 压 电 换 能 器 ，并 用 于 探 测 水 下 的 物 体 。n 1918 年 卡 迪 （ Cady） 研 究 了 罗 息 盐 晶 体 在 机 械谐 振 频 率 特 有 的 电 性 能 ， 导 致 罗 息

14、 盐 电 声 组 件 问世 。n 1921年 相 继 研 制 成 功 石 英 谐 振 器 和 滤 波 器 ， 开 创 了 压 电 效 应 在 稳 频 、 计 时 和 电 子 技 术 方 面 的 应 用 。压 电 陶 瓷 历 史 n 1947年 采 用 BaTiO3压 电 陶 瓷 制 成 了 拾 音 器 ， 这对 压 电 材 料 的 应 用 具 有 重 大 意 义 ， 极 大 地 刺 激 了 压 电 陶 瓷 材 料 的 研 究 与 应 用 开 发 。n 1969年 发 现 聚 偏 氟 乙 烯 薄 膜 制 程 的 驻 极 体 具 有优 良 的 压 电 性 后 ， 聚 合 物 驻 极 体 的 研 究

15、 和 应 用 迅速 发 展 起 来 。 压 电 陶 瓷 历 史 常 见 的 压 电 陶 瓷 材 料n 1、 钛 酸 钡 （ BaTiO3） 压 电 陶 瓷 具 有 较 高 的 压 电 系 数和 介 电 常 数 ， 机 械 强 度 不 如 石 英 。n 2、 锆 钛 酸 铅 Pb（ Zr Ti） O3系 压 电 陶 瓷 （ PZT） 压 电系 数 较 高 ， 各 项 机 电 参 数 随 温 度 、 时 间 等 外 界 条 件 的变 化 小 ， 在 锆 钛 酸 铅 的 基 方 中 添 加 一 两 种 微 量 元 素 ，可 以 获 得 不 同 性 能 的 PZT材 料 。n 3、 铌 镁 酸 铅 P

16、b(MgNb)O 3-PbTiO3-PbZrO3压 电 陶 瓷（ PMN） 具 有 较 高 的 压 电 系 数 ， 在 压 力 大 至 700kg/cm2仍 能 继 续 工 作 ， 可 作 为 高 温 下 的 力 传 感 器 。 压 电 原 理石 英 的 晶 体 结 构 (b)(a) + - -Y XXY硅 氧 离 子 的 排 列 示 意 图 (a) 硅 氧 离 子 在 Z平 面 上 的 投 影（ b） 等 效 为 正 六 边 形 排 列 的 投 影 + 石 英 的 压 电 机 制 压 电 陶 瓷 的 极 化直 流 电 场 E 剩 余 极 化 强 度剩 余 伸 长电 场 作 用 下 的 伸 长

17、(a)极 化 处 理 前 (b)极 化 处 理 中 (c)极 化 处 理 后 极 化 后 的 压 电 陶 瓷 自 由 电 荷束 缚 电 荷电 极 电 极 极 化 方 向陶 瓷 片 内 束 缚 电 荷 与 电 极 上 吸 附的 自 由 电 荷 示 意 图 压 电 效 应压 电 效 应 逆 压 电 效 应 压 电 陶 瓷 等 效 模 拟 电 路 并 联 模 拟 电 路 串 联 模 拟 电 路 n 压 电 应 变 常 数 d33: 表 示 在 压 电 晶 体 上 施 加 单 位 电 压 时 所 产 生 的 应 变 大 小 。 n 压 电 电 压 常 数 g33： 表 示 作 用 在 压 电 晶 体

18、上 单 位 应 力 所 产 生 的 电 压 梯 度 大 小 。 )/(33 VmUtd )/( 33 NmVPUg P 压 电 材 料 的 主 要 性 能 参 数 压 电 材 料 的 主 要 性 能 参 数n 介 电 常 数 :n 机 电 耦 合 系 数 K: 表 示 压 电 材 料 机 械 能 (声 能 )与 电 能 之 间 的 转 换 效 率 。n 机 械 品 质 因 子 Qm : 压 电 晶 片 在 谐 振 时 贮 存 的 机 械 能 E贮 与 在 一 个 周 期 内 损 耗 的 能量 E损 之 比 称 为 机 械 品 质 因 子 Qm。 AtC 输 入 的 能 量转 换 的 能 量K

19、损贮EEQ m n 频 率 常 数 Nt: 压 电 晶 片 的 厚 度 与 固 有 频 率 的 乘 积 是 一 个 常 数 ，这 个 常 数 叫 做 频 率 常 数 。n 居 里 温 度 Tc： 使 压 电 材 料 的 压 电 效 应 消 失 的 温 度 。 常 数 ）(20 Lt ctfN 压 电 材 料 的 主 要 性 能 参 数 压 电 材 料 的 主 要 特 性 n 转 换 性 能 ： 要 求 具 有 较 大 的 压 电 常 数 。n 机 械 性 能 ： 机 械 强 度 高 、 刚 度 大 。n 电 性 能 ： 高 电 阻 率 和 大 介 电 常 数 。n 环 境 适 应 性 ： 温

20、度 和 湿 度 稳 定 性 要 好 ， 要 求 具有 较 高 的 居 里 点 ， 获 得 较 宽 的 工 作 温 度 范 围 。n 时 间 稳 定 性 ： 要 求 压 电 性 能 不 随 时 间 变 化 。 压 电 材 料 应 用压 电 陶 瓷 按 照 应 用 分 类 共 分 为 七 大 类 ： n 压 电 振 荡 器 及 材 料n 压 电 声 电 组 件 ： 蜂 鸣 器 、 送 话 器 、 受 话 器 、 压 电 喇 叭 n 压 电 超 音 波 换 能 器 ： 超 音 波 清 洗 、 超 音 波 雾 化 、 超 音 波 美 容 、超 音 波 探 测n 信 息 处 理 组 件 ： 滤 波 器

21、、 谐 振 器 、 检 波 器 、 监 频 器 、 表 面 声 波 、延 迟 线 n 动 力 装 置 ： 点 火 器 、 超 音 波 切 割 、 超 音 波 粘 接 、 压 电 马 达 、 压电 变 压 器n 压 电 传 感 器 ： 速 度 、 加 速 度 计 、 角 速 度 计 、 微 位 移 器n 光 电 组 件 ： 光 调 节 器 、 光 调 节 阀 、 光 电 显 示 、 光 信 息 储 存 、 影象 储 存 和 显 示 目 前 市 场 容 量 最 大 的 组 件 是 频 率 组 件 ， 主 要 包 括 滤 波 器 和 谐 振 器 。 奥 迪 威 公 司 压 电 蜂 鸣 片 电 声 元 件 开 放 式 超 声 波 传 感 器 超 声 波 雾 化 片 奥 迪 威 其 它 压 电 产 品 超 声 波 马 达 C-171微 型 旋 转 陶 瓷 电 机 超 声 波 压 电 陶 瓷 电 机 液 晶 电 视 用 模 组 压 电 陶 瓷 点 火 器 谢 谢