超声波的基本原理及传播特点 (1)

目录

摘要 (2)

引言 (3)

1.超声波的基本原理及传播特点 (4)

1.1什么是超声波 (4)

1.2超声波的基本原理 (4)

1.2.1压电效应及脉冲超声波的产生 (4)

1.2．2超声波波形 (5)

1.3超声波传播的特点 (6)

2.超声波的应用 (6)

2.1超声波在制浆造纸中的应用 (7)

2.2超声波传感器 (8)

2.3超声波测距 (9)

2.4超声波在医学诊断中的应用 (10)

2.5超声波在生物技术领域的应用 (11)

2.5.1用于培养液及药物的雾化 (11)

2.5.2提高种子发芽率和遗传物质的转化率 (11)

2.6超声波在军事中的应用 (11)

3. 结束语 (12)

参考文献 (12)

致谢 (13)

摘要

超声波是一种高能机械波，本文通过介绍超声波的产生机制和基本原理。让读者更深层次的认识超声波，文中根据超声波的自身特点从超声波传感器、超声波测距、及超声波在纸浆造纸中、医学诊断中、生物技术领域中、军事中的应用这六个方面进行详细讲述。超声波是一门年轻的学科，随着超声研究技术的不断成熟，未来将会更好的应用在生产生活中。

关键词：超声波；传感器；测距；医学诊断

Abstract

Ultrasonic is a kind of high-energy mechanical wave, this paper introduces the basic principle of ultrasonic generation mechanism and give readers a deeper understanding of ultrasound, in this paper, according to the characteristics of ultrasonic sensors, ultrasonic distance measurement, and ultrasonic in pulp papermaking, medical diagnosis, in the field of biotechnology, the application of the military in these six aspects in detail. Ultrasonic is a young discipline, with the ultrasonic technology matures, the future will be better application in the production and living.

Key words: ultrasonic ；the sensor ；ranging; medical diagnosis

引言

超声波最早被人类发现是在1793年由意大利科学家斯帕拉捷在蝙蝠身上发现其存在，随后的30多年里人们进行了有关超声波的产生机理方面的大量研究，直到1830年F ·Savar 用齿轮产生4104.2 HZ 的超声，首次实现了人类在人工控制下超声波的产生，开启了超声历史的新纪元，其他新技术如压电效应与逆压电效应的发现大大推动了超声波的快速发展，在随后的60年间，世界各地区有关超声技术的研究不断的取得突破性成果，20世纪的40年代超声技术开始应用于临床医疗方面，这也同样推动了人类医疗事业的发展，有关超声波在医学方面的应用与研究取得突破性进展，国际间也有过许多的交流与合作，共同推动了超声科技的发展和进步。我国在超声方面的研究相对落后于国际主流国家，我国由于当时特别的时期和特别的情况，20世纪60年代才开始超声方面的研究，有关超声学的相关研究始于也在这个时期真正开始，并且在随后的几年发展中取得了许多重要成果和重要的应用，如金属探伤、种子的培育、印染等。在基础研究方面也取得了重要进展，如研制出有关超声波在固体中衰减所用的检测设备，进行了有关超声乳化等课题的研究，研制出分子声学试验等设备，表面换能器的相关研究在1960年左右开始。改革开放的新时期，超声技术开始了实际应用之路，并且在该领域的一些列成果开始走进我们的生

产生活之中，例如超声诊断，高频压电材料研制成功并且走向实用[1]，复合型超声波换能器问世，超声焊接技术，超声波清洗技术等一系列的成果逐步应用并且走向成熟，而且还催生了一大批的产业，并且目前已经形成了相当大规模，鉴于超声研究的重要性及其所蕴含的巨大潜力，国家也相应投入大笔资金和人力进行相关的研究，如建立国家级的重点实验室，扶植相关科研机构有关超声方面的研究。总而言之，我们国内的超声学研究取得了长足发展，有些领域已走在国际水平的前列。

超声技术是20世纪发展起来的高新技术，是一门集物理、电子、机械及材料学为基础的多学科交叉的边缘科学，其应用跨涉多个行业领域。新技术的应用会推动经济的发展，也能在某种程度上提高我们的生活质量，也可以增加个人和企业在日常生产中的安全系数，同时也能降低生产成本，在日新月异的今天对于提高生产效率也功不可没。其应用总体上包括两大方面：第一类是超声加工和处理技术；第二类就是超声检测与控制技术[2]，第一类技术应用是通过超声波去改变物质本身的特性或者状态，以满足生产生活需要。第二类应用主要是超声波本身的检测及测量，这两类技术的应用非常广泛，在军事、农业等领域的应用不胜枚举也颇为常见，超声技术蕴含着巨大的发展潜力，这也引起了包括中国在内的美国、德国、加拿大等国内国际的广泛关注。

1.超声波基本原理及传播特点

1.1 什么是超声波

超声波是指频率高于20000Hz的一种人无法听见的声波，由于人耳的听觉频率范围在20赫兹和20000赫兹之间，若声音的振动频率高于20000Hz人耳就无法听到，因此习惯上把频率高于20000赫兹的声波称为超声波[3]，当然低于20赫兹的也不在我们的听觉范围内，属于次声波，超声波是一种机械波，机械振动与波动是超声波探伤的物理基础，超声波也属于声波家族中的一员，它与平常听到的声音的本质是一样的，其共同的特点是都属于机械振动，属于能量和动量之间的一种传播形式，在弹性介质内常常以纵波的形式传播，它们之间不同点在于超声的频率高，波长较短所以说超声波的衍射能力不是很强，在介质一定密度不变的情况下，超声波能通常的障碍物都会比超声波的波长大很多够沿着波的方向一致沿直线传波，超声波的波长相对来说越短的话，直射能力就越好，在一定距离范围内可沿直线传播，具有非常好的束射性与方向性。

1.2 超声波的基本原理

1.2.1 压电效应及脉冲超声波的产生

部分固体受到压力或者拉力时，将会产生形变导致使物质发生极化，并且在物质的表面产生正负束缚电荷的现象叫作压电效应。物质本身的压电效应和它的本身内部结构有关，例如石英晶体，它的化学成分为SiO2

，可将其看作是由正4价的Si离子和负2价O离子组成，石英晶体的分子中两种离子可形成规整的六角形排列。如下图所示，三个正原子形成一个向右的正三角形，正电中心可看作在三角形的重心处。同上述方法，三个带负电的原子对将组成一个向左的三角形，其负电中心也同样在三角形的重心上，若晶体不受力时，两个三角形重心重合，六角形单元呈电中性，同时整个晶体也呈电中性。

(Quartz crystal structure) (Pull force under the action of polarization) (Crystal macroscopic polarization)

石英晶体的压电效应

Fig: The piezoelectric effect of quartz crystal

当晶体沿x方向受到拉力时或者沿y方向受到压力时，六角形将沿x方向变形拉长，这将使得正负电的中心不重合，虽然此时的六角形仍然呈现电中性，但是其

正负电中心不重合导致产生电偶极矩p，整个晶体中其实有许多这样的电偶极矩

排列，这也使得晶体出现极化现象，晶体左右表面出现束缚电荷。但是当外力消失的时候，晶体将会恢复为原状，极化现象也将会消失。类似的，若晶体沿y 方向受到拉力或者沿x方向受到压力时，正负原子三角形都将被压扁变形，这将也造成正负电中心不重合，但此时电偶极矩的方向和x所受拉力时方向相反，晶体的极化方向也相反，即压电效应产生的本质，其他晶体如太酸钡，即便是没有受到外力作用正负电中心仍然不会重合，通常把这种现象叫做自极化现象，这类晶体中具有压电效应与逆压电效应的陶瓷材料常被称作压电陶瓷。

若压电陶瓷在被加工成平面形状以后，在其正反面镀上银作电极以后，该器件被称作压电晶片。当给压电晶片两极人为施加施加电压短脉冲时, 逆压电效应的存在致使晶片将发生弹性形变，其产生弹性振荡, 由此产生的频率与晶片的声速和厚度有联系,只要选择合适的晶片厚度就可以在可控下得到超声频率范围的弹性波, 也就是通常所说的超声波，在振动源振动过程中，由于各种因素的影响，比如能量的损失，导致其振幅的慢慢变小，最后它是以超声波波包的形式对外进行发射的，一般把它叫作脉冲波

1.2.2 超声波的波形

超声波在本质上与普通的声波是一致的，其许多的传播规律和传播特性都符合波的传播特点，两者都是因频率而划定界限，因此携带的能量也不同，大体上存在以下三种波形[4]: 纵波波形是当传播媒质中各点振动的方向和超声波的传播方向平行时，该波形被称作纵波波形。纵波是质点的振动方向与传播方向平行的波，任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波，纵波在固体、液体和气体中都可以传播。

横波波形是当传播媒质中各点振动方向和波的传播方向垂直时，该超声波被称作横波波形，横波也称“凹凸波”，是质点的振动方向与波的传播方向垂直。由于媒质除了能承受体积变形外，横波的产生需要剪切应力交替作用在物体上，例如地震波横波的产生就需要平行于地表的力即剪切应力的交替作用，横波的传播介质比较单一，固体有切变弹性，它只在固体介质中传播。横波不能穿过气体和液体。

表面波波形是沿着两种媒质的界面传播的同时具有纵波和横波的双重性质的一种弹性波。声表面波不仅可以在各向同性均匀固体中传播，而且也可以在不均匀的（如分层的）固体介质中传播。不过，这时它是频散的，并且存在多种模式。在各向异性介质（如晶体）中，也可能存在声表面波，但由于介质的各向异性，其传播特性随表面的取向和传播方向而不同，而质点振动一般有三个分量。对于均匀的晶体，其传播也是非频散的，表面波的振动轨迹为椭圆，并且在距离表面四分之一的地方振幅最强，随深度增加逐渐减弱，在处理相关表面波的问题时可将其看作纵波与横波的合成，采用分解的方法处理实际问题时相对简单。

1.3超声波的传播特点

超声波在我们的日常生产生活中扮演着举足轻重的角色和其本身的特点是离不开的，性质决定其用途，与普通声波相比，超声波具有许多优点，如下: （1)直射性好。超声波的频率相对来说比较高,它的波长和声波相比之下要短的多,衍射现象也不是很明显,容易得到定向而集中的波束，在一定距离内可沿着直线传播，在遇到障碍物时会发生反射，遵循反射与折射定律。

（2)功率大。这是由超声波本身的特点所决定的，因其波长相对较短，频率也较高，本身又属于能量的传播形式，这也就说明它本身是携带了更强的能量，大功率的超声波简称功率超声。

（3)穿透能力强。超声波在固体或者液体中时衰减很小，这也是其在水下探测及探伤方面取得重要应用的原因所在，介质吸收系数随波的频率增大而增大，超声波的频率增加时其穿透本领会下降，因此在不同的应用中，其频率的选择不同。在不透明的固体中,超声波能够无损穿透几十米的厚度,这反面可用于金属等材料的探伤，液体中用于海底地形扫测和侦察，超声波在遇到杂质或者介质分界面时会有明显的反射，但其弱点在于超声波在空气中衰减较快，无法利用超声波进行空中远距离探测。

（4)能产生空化作用。超声波在液体中传播时,由于其本身是一种机械波,若液体受压产生逐级压,相对比较稳定，因此液体能耐压，而承受拉力的能力却很差，因此当超声波的波浓度足够大时，承受不住拉力而发生断裂，导致其产生近似于真空或者只含少量气体的空穴，在声波的压缩阶段,这些空穴也被压缩，直到它们崩溃，在这些空穴崩溃过程中将会发生放电并伴随发光现象,此现象被称作空化作用。也正是由于这些特点的存在，促使超声波走进我们的生产生活之中，在国防、医疗，科技创新、农业等许多领域得到了重要的应用。

2.超声波的应用

超声波在工农业生产以及生活中扮演着极其重要的角色，它的足迹涉足的领域包括超声诊断、超声波探伤、大功率超声、超声波理疗、超声波检测、超声波

处理等，在工业中超声可用来对材料的内部结构进行检测和探伤，同时也可以测量气体，液体或者固体的物理参数，测量物体的厚度，液面的高度、流量、粘度或者硬度等等，也可以对材料的焊缝处、粘接处等进行全面检查。在其他应用方面如超声波清洗和加工处理还可以被应用在切割、焊接、喷雾、乳化、电镀等工艺中，超声波清洗技术是一种高效率的洗涤方法，已经在尖端和精密工业中得到普及。大功率超声也可用于机械加工之中，使超声波在拉管、拉丝、挤压和铆接等工艺中得到应用。医学中的超声波诊断发展甚快，且应用效果很好，已经成为医学上三大影象诊断方法之一，与X线、同位素分别应用于不同场合，例如超声波理疗、超声波诊断、肿瘤治疗和结石粉碎等。在农业生产中，可以用超声波对有机体细胞的杀伤的特性来进行消毒灭菌，对作物种子进行超声波处理，有利于提高种子发芽率和也能促使作物增产增收。此外超声波的液体处理和净化也可应用于环境保护中，例如超声波水处理、燃油乳化、大气除尘等，微波超声的应用重点在于微波电子器件，已经制成了超声波延迟线、声电放大器、声电滤波器、脉冲压缩滤波器等，以下面就对超声波的几个典型应用加以描述：

2.1 超声波在制浆造纸工业中的应用

2.1.1 纸浆预处理

利用超声技术处理纸浆，使之产生机械的打浆效应。研究发现，利用超声波处理木浆，具有与机械打浆、精浆相类似的效果，可对纤维细胞壁产生位移、变形以及细纤维化等作用。这主要是由于超声波空化产生的微流对纤维的冲击、剪切作用，使纤维纤维细胞壁出现裂纹、发生位移和变形，初生壁和次生壁外层破裂脱除，次生壁中层暴露出来：或使纤维产生纵向分裂，发生细纤维化。超声波处理不仅对纤维有机械打浆效应，而且经超声波处理后，纤维的保水值增大，纤维的可及度和反应性能显著提高。对于含较多果胶质的纤维，利用超声波达到脱胶效果。超声波对于合成纤维的表面更是发挥了很好的作用，可以活化纤维表面，是纤维表面的含氧官能团增加，引起纤维表面张力中极性分子增加，研究还发现，超声波对纤维表面有刻蚀作用，纤维比表面增加，大大提高了纤维的层间结合能力[5]，由于高分子化合物与液体之间超声速度差产生磨擦力，使纤维结构破坏。使用超声波处理各种纸浆，使纤维达到润胀，外层剥离，细纤维化，从而增加成纸强度.

2.1.2 超声波检测

超声波检测技术是利用超声来进行各种检验和测量的技术，它是利用待测的介质特性和状态有关的非声学量（如液体的密度、浓度、黏度、流量、应力及温度等）与某些描述介质声学特性的超声量（如声速、声衰减、声阻抗等）之间存在的关系，通过这些超声量的测定来分析介质的特性，评价介质质量与工程有关

的参量。超声波传播的方向性很好，尤其在液体和固体中传播时衰减很小，超声波遇到杂质时会受到散射和吸收，碰到媒质分界面时有显著的反射，利用这些特性，可以通过测量一定能量超声波在固体悬浮物的液体中传播时的衰减量，间接得到液体中固体悬浮物的含量，由此可以测定和控制浆料或白水的浓度，据此原理生产的超声流量计、超声波料位仪等具有反应灵敏、测量精度高、对人体没有伤害等优点，利用超声波直接测定纸张的抗张挺度取向，检测过程无创伤、快速，测定结果直接准确，是纸张检测很好的工具[6].应用超声技术检测真空系统泄漏，是行之有效的方法，具有简单、快捷、准确、成本低、操作简单等特点

2.2 超声波传感器

超声波传感器在流量测量、材料的无损检测、物体位置的测量中应用极为广泛。因此，超声波传感器的地位就显得特别重要，首先简单的介绍一下超声波传感器。超声波传感器分为两类，分别是接受换能器和发射换能器，这两者的原理是不同的，接受换能器利用逆压电效应而发射换能器利用压电效应。超声波换能器又叫超声波探头，是指在超声频率范围内，将交变的电信号转换成声信号的转换器件；或者将声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。它本身既能产生超声波又能接受超声波的回波，从而实现了能量的转换。超声换按照结构分为直探头、斜探头、表面波探头、单探头、双探头、聚焦探头等。按照物理效应不同分为电动式、电磁式、磁致伸缩式和电致伸缩式等。

随着材料科学的发展及对某些材料认识的突破，超声波换能器的发展也被带动起来了，作为换能器的材料也开始有多种选择，例如晶体、陶瓷、聚合物等这些电介质。当对这些电介质在某一个方向上施加作用力时，这些电介质内部的电极化状态就会随之改变，在其的某相对两表面就会出现束缚电荷，这些电荷与外力成正比，由于外加作用力使电介质带电的现象称为压电效应。相反地，如果给这些电介质外加一电场，由于电场的作用，其内部电极化状态将会发生的变化，产生了应变现象，这一现象与外加电场强度成正比的被称为逆压电效应。压电材料是压电换能器的研制、应用和发展的关键[7]。压电材料大致可分为五类：压电单晶体和多晶体、压电高分子聚合物、复合压电材料、压电半导体。压电陶瓷是压电多晶材料的核心，它的的压电性能比较好。压电陶瓷至今已经有30多年的历史。在材料基础研究和实际应用中都发展迅速。正是由于压电陶瓷的出现才使压电换能器的实际应用上了一个新的台阶，所以压电陶瓷是现今潜力最大、用途最广的压电材料，目前在压电材料中处于支配地位，它的优点：原材料的价格低廉；不溶于水，不易被酸、碱腐蚀损坏；压电性能较好；种类繁多而且性能各异，可以满足不同领域的需求；易加工，可设计成各种形状；由于不同的形状和电极

化轴，从而可以得到各种振动模式；制作工艺简单，生产周期短。

超声波传感器根据实际需要不同可以产生相应的频率。例如频率在30kHz到5MHz 之间可以应用在流量测量领域中；在30kHz到200kHz之间可以应用在物位测量中；当应用在检测装置上时，要求声波的频率范围就很宽。

2.3 超声波测距

超声波在介质中有指向性强、能量损耗较慢，传播距离较远的特点，因此可用在测距方面。超声波测距是指超声波发出后遇到障碍物被反射回来的时间，根据发射和接收的时间差来计算发射点到障碍物的距离。其中已知量为超声波在空气中的传播速度。超声波测距的具体公式为：

S=C×T （1）式中S为测量点到障碍体的距离；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量点到被测物体距离所传播的时间差。

超声波测距在日常生活的应用很广泛，主要应用在倒车提醒、超速检测、建筑业等，超声波测距虽然测量精度能达到厘米级，但探测距离只有几百米，所以对它的应用也大大有所限制。由于超声波具有可以定向发射、强度容易控制和不需要直接接触测量物体的优点，所以可作为液体高度测量。目前国内的制造的超声波测距集成电路的测量精度只达到厘米级，这还不能满足精密的液位测量，通过大量研究分析，发现超声波测距产生误差的原因，我国设计的高精度超声波测距仪精度是可以能达到毫米级的[8]。

根据超声波测距公式S=C×T，可知产生的的误差主要是由于超声波的传播速度的测量误差和测量距离传播的时间误差。

2.4 超声波在医学诊断中的应用

1942年奥地利医生首次在医学上利用了超声技术进行人体脑部结构的扫描，直到六十年代，开始用于人体腹部器官的扫描探测【11】。目前，超声波诊断根据不同的成像原理，分为A型、B型、M型、D型超声波四大类。其中A型超声波也称为超声示波诊断，最早在医学上应用的，现在已经很少在用了，它是通过波形来显示主治特征的一种方法，主要用于测量肝、胆、脾等器官的径线，以判断其大小。B型超声波是通过平面图形的形式来反映探查组织的一些情况，由于这种方法比较直观，可重复性强，可以前后进行对比，所以在医学上应用比较广泛，应用于妇产科、消化系统、心血管及泌尿系统的诊断，它在检查时第一部先将人体器官的反射信号转变为一些强弱不同的光点，光点通过荧光屏显示出来。M型超声波主要用于观察活动的界面方法，在医学上常用于检查心脏的跳动和对大血管疾病的诊断，把这些跳动用曲线形式表示出来称为超声心动图，从而达到观察心脏各层结构的位置和活动状态的目的。D型超声波也称为多普勒超声诊断，专门用于检测血液流动情况和各个器官活动的诊断方法，从而可以看出血管是不是

通畅，官腔有无狭窄和堵塞。随着科技的发展D型超声波也在更新，新式D型超声波还能测定血液的流量，其中加入了彩色编码多普勒系统，可以用不同的颜色显示血流的方向，颜色的深浅现实血流的速度。除了这些现在还有立体超声显像、超声内窥镜和CT等疾病辅助诊断技术，从而使疾病的诊断准确率得到提高。

目前超声诊断正向三维方向发展，在怀孕期的检测、腹部和胸部肿瘤和心肌损伤等上都可以得到比较直观的立体图像。随着科学技术的发展，超声波技术在医学界也发挥着很大的作用，科学在不断进步，超声技术会更加完善，更好的服务于人类社会。

2.5 超声波在生物技术领域的应用

超声波技术在生物学领域的应用也很广泛，其中超声波的生物学效应在生物技术中的应用意义尤为重大，下面从两点进行介绍：

2.5.1 用于培养液和药物的雾化

超声波雾化主要利用电子的高频率震荡实现，振荡频率1.4MHZ或2.4MHZ。对于培养液和药物雾化主要利用水中空穴效应，由于水中的空穴发生了剧烈的碰撞，在高温、高压的作用下会出现高压水流，如果空穴的剧烈碰撞发生在水和空气的接触面上，则空穴周围的水粉就会碎成小的微粒，从而形成了水雾，从水中溢出。日常生活中如空气加湿器、药物的雾化器喝雾化植物培养等都得到了大大的应用。由于水培植物的供养和营养液的循环装置需求都存在困难，所以应用超声波使营养液达到雾化，进行室内无基质培养或气培植物，就解决了这一困难。

2.5.2 提高种子的发芽率和遗传物质的转化率

超声波的生物学效应，其在农作物增产及沙地绿化等方面有着重要的用途，用超声波处理的种子，其发芽率与种子的成活率都有所改善，可以提高作物产量和植树种草的成活率，正是因为这样，所以超声波的生物学效应，在农作物的增产上和对沙地绿化等方面有很大的用途。如用超声波水浴对黑皮冬瓜种子进行处理，进行种子发芽试验，结果发现超声波处理后可促进了黑皮种子的萌发速度，提高种子的活力[12] ；用超声波处理落叶松、云杉等林木种子，可改善林木种子的播种品质，提高种子发芽势和发芽率[13]，超声波不仅可以改善植物的一些性能，也能对动物的一些机能，如经过超声波的处理可增加鱼卵的孵化率与孵出鱼苗的成活率。可使细胞通透性增加，利于胞内、外物质扩散与流动，从而利于遗传物质的转化，强化药物的治疗和释放胞内代谢等。文献报道超声[14]波处理可修复外植体上的微小伤口，达到提高农杆菌和外植体的接触面积，使外植体的遗传物质转化率提高。

2.6 超声波在军事领域的应用

超声波传播的直线型被广泛应用在在军事上，因此可以通过定向发射，然后接收

其反射回来的声波来确定目标位置，声纳就是利用这种原理进行工作的，可以用

它来确定鱼群或者水下目标的方位，也可以通过超声波扫描来获取海底地形地貌

和敌方目标的潜艇等，在今年搜寻马航失联客机MH370的行动中，用到的装备“蓝

旗金枪鱼”就是利用超声波扫描对海底进行探测，以确定失联客机的大致方位，在现代科技中虽然主要应用雷达进行目标的探测，但是水中依然采用声纳进行探测，主要原因是海水本身导电性好，所以对电磁波的吸收能力也很强，雷达探测

不到水下的作战目标和具体位置，超声波在空气中衰减速度比在固体和液体中快

得多，正好和电磁波相反，种种限制下使得声纳技术的优势得以显现出来，还有

一方面就是海水的比热容大，吸收热量的能力较强，因此红外线技术在水下探测

中就完全丧失了作用，海水本身透光性差，吸收光的能力很强，若是通过光学设

备进行目标的监测和搜寻也是不切实际的，这也使得声纳技术在军事领域占据着

不可动摇的地位。

3．结束语

超声学已经有100多年的发展了，它是一门应用性很强的学科。超声学在各

个领域都有应用，例如在国防、工农业、医学等领域。它不断借鉴电子学、材料

科学、光学、固体物理等其他学科的内容，而使自己更加丰富。同时，超声学也

为电子学、材料学、固体物理的发展的发展提供了一些重要器件和有效的研究手段，与此同时也从这些学科中发展了自己。比如超声探伤和超声成像技术都是借

鉴了雷达的原理和技术而发展起来的，而超声的发展又为电子学、光电子学、雷

达技术的发展提供了超声延迟线、滤波器、卷积器、声光调制器等重要的体波和

表面波器件。虽然有这么多的应用，但超声学仍可以成为年轻的学科，因为也其

中存在着一些需要深入研究的问题，对一些超声应用的机理了解的还不是很清楚。而且实践也不断地向超声学提出一些新的课题，正是由于问题的不断提出和

解决，使得超声学不断向前发展，未来将会发挥更大的效力。

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学学报（自然科学版），2001，37(5):77

超声波传播速度的测量

超声波在固体中传播速度的测量 在固体中传播的声波是很复杂的，它包括纵波、横波、扭转波、弯曲波、表面波等，而且各种声速都与固体棒的形状有关，金属棒一般为各向异性结晶体，沿任何方向可有三种波传播。 【实验目的】 1、学会用时差法测定超声波在固体中的传输速度。 2、学会用逐差法处理实验数据。 3、熟悉数字示波器等仪器的使用。 【实验原理】 时差法测量原理： 在实际工程中，时差法测量声速得到广泛的应用。时差法测试声速的基本原理是基于速度V=距离S/时间T，通过在已知的距离内计测声波传播的时间；从而计算出声波的传播速度，在一定的距离之间由控制电路定时发出一个声脉冲波，经过一段距离的传播后到达接收换能器。接收到的信号经放大，滤波后由高精度计时电路求出声波从发出到接收这个在介质传播中经过的时间，从而计算出在某一介质中的传播速度。只因为不用目测的方法，而由仪器本身来计测，所以其测量精度相对于前面两种方法要高。同样在液体中传播时，由于只检测首先到达的声波的时间，而与其它回波无关，这样回波的影响比较小，因此测量的结果较为准确，所以工程中往往采用时差法来测量。 连续波经脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质中，声波在介质中传播，经过t时间后，到达L距离处的接收换能器。由运动定律可知，声波在介质中传播的速度可由以下公式求出：速度V=距离L/时间t。通过测量二换能器发射接收平面之间距离L和时间t ,就可以计算出当前介质下的声波传播速度。 图5-5 发射波与接收波 【仪器与器材】 SVX-7声速测试仪信号源、SV-DH-7A型测试架、数字示波器、材料样品（有机玻璃棒、铝棒等）

【实验内容与步骤】 1、时差法测量超声波在固体中传播速度步骤 图5-6 时差法测量超声波在固体中传播速度接线图 （1）按图5-6接线，将测试方法设置到脉冲波方式将，接收增益调到适当位置（一般为最大位置），以计时器不跳字为好。 （2）将发射换能器发射端面朝上竖立放置于托盘上，在换能器端面和固体棒的端面上涂上适量的耦合剂，再把固体棒放在发射面上，使其紧密接触并对准，然后将接收换能器接收端面放置于固体棒的上端面上并对准，利用接收换能器的自重与固体棒端面接触。 （3）这时计时器的读数为t i-1，固体棒的长度为L i-1 。移开接收换能器， 将另1根固体棒端面上涂上适量的耦合剂，置于下面一根固体棒之上，并保持 良好接触，再放上接收换能器，这时计时器的读数为t i ，固体棒的长度为L i 。 则声速C i =（L i -L i-1 ）/（t i -t i-1 ）。分别测量超声波在有机玻璃棒、铝棒中的 传播速度，填入表5-3中。 （4）测量超声波在不同固体介质中传播的平均速度时，只要将不同的介质同时置于两换能器之间就可进行测量。 因为固体中声速较高、固体棒的长度有限等原因，测量所得结果仅作参考。 2. 液体介质声速的测量 当使用液体为介质测试声速时，按图6所示进行接线。将测试架向上小心提起，就可对测试槽中注入液体，以把换能器完全浸没为准，注意液面不要过高，以免溢出。选择合适的脉冲波强度，即可进行测试，步骤与4相同。 使用时应避免液体接触到其他金属件，以免金属物件被腐蚀。使用完毕后，用干燥清洁的抹布将测试架及换能器清洁干净。 【注意事项】 1、使用时，应避免声速测试仪信号源的功率输出端短路。 2、严禁将液体（水）滴到数显尺杆和数显表头内，如果不慎将液体（水）滴 到数显尺杆和数显表头上，请用60℃以下的温度将其烘干，即可使用。3、数显尺用后应关闭电源。 【数据处理】 1、列表记录用时差法测量有机棒及金属棒的实验数据。 （1）三根相同长度和材质的待测棒，利用叠加获得不同的长度。 （2）每个长度所测得相对应的时间。

甲状腺超声造影

甲状腺超声造影检查 一、超声造影的基本原理 血液在普通二维声像图上表现为“无回声”,通常较大血管的边界容易识别,但因混响等伪差存在和分辨力限制,组织微小血管结构难以 显示。超声造影利用造影剂微泡的声散射性能,形成造影剂灌注部位与周围组织声阻抗差对比,提高图像的对比分辨率,低速血流及微小 血管能以清晰敏感显示,从而提供比彩色多普勒超声更丰富、明确的诊断信息。 二、超声造影过程 造影剂用声诺维( SonoVue) , 使用前用生理盐水5 ml, 振荡摇匀, 配制成微泡悬浊液，用量2.4ml。 造影前首先以常规二维超声多个切面扫查甲状腺, 记录结节的大小、数目、形态、边界等, 利用多普勒超声显示结节的血流灌注情况, 选择合适的超声造影切面。若为单发结节, 选择一个切面同时显示完整病灶和周边部分正常甲状腺组织, 若为多发结节,则选择一个同时显示恶性更可疑的病灶和正常组织的切面, 必要时可分多次造影。选择好切面后, 嘱患者平静呼吸, 切入造影模式, 经肘静脉快速团注2．4 ml 微泡造影剂, 同时按下计时键记录并存储动态图像。动态回放造影全过程, 观察病灶的二维增强模式,同时利用ACQ 软件, 分别在病灶周边和内部选择一个感兴趣区（ROI）。选择ROI 时注意避开病灶内肉眼可见的粗大血管、粗大钙化、坏死、囊性变, 甲状腺癌的微小钙化是肿瘤实质部分, 不影响数据分析, 可包含在ROI 内。从得到的

时间-强度曲线( time-intensity curve, TIC) 中获得以下参数: 周边ROI 峰值强度( peak intensity, PI) , 达峰时间( t ime t o peak, T T P) , 及达峰时刻病灶内部ROI 曲线的相对应的造影 剂增强强度( inter ior intensity, II) 。 一、超声造影结果： （一）将甲状腺实质性结节造影增强模式分为三型：I型：无增强型，整个结节未见造影剂增强；Ⅱ型：周边增强型，结节周边明显增强，但中央区无增强；Ⅲ型：弥漫低增强型，整个结节呈弥漫性增强，分布均匀或不均匀，发现三型都可表现为甲状腺癌的造影模式。 1、结甲：结节性甲状腺肿结节性甲状腺肿处于不同的增生时期，血供特点不同，因而超声造影模式表现为多样性，既可以为等血供型，也可以为高血供及低血供型。超声造影剂进入结节时间及消退时间与正常甲状腺组织相比可为较慢、较快或相等。普遍认可结节性甲状腺肿造影剂灌注时多表现为与周边正常甲状腺实质基本同步显影,达峰时病灶增强程度多为等增强、低增强,少数为高增强。周边环状增强模式对诊断结节性甲状腺肿最有帮助,以此征象判断甲状腺良性结节的灵敏度和特异度均较高。 2、甲状腺腺瘤：甲状腺腺瘤多为单侧低回声病灶, 周边可见光滑完整声晕,彩色多普勒常见由外周向中心包绕的丰富血流信号, 且结节周边血管粗大。超声造影剂进入肿块时间早于正常甲状腺组织，而且肿块内排空时间晚于正常甲状腺组织，即为“快进慢出，高增强”。有时，腺瘤易发生囊变，囊性变成分张力高，压迫周围残存实性成分，

实验42 测量超声波在空气中的传播速度

测量超声波在空气中的传播速度 【实验简介】 声波是一种在弹性介质中传播的机械波，它能在气体、液体和固体中传播，但在各种介质中的传播速度是不同的。声波的振动频率在20Hz～20KHz时，可以被人听见；频率低于20Hz的声波称为次声波；频率高于20KHz的声波称为超声波。对于声波特性（如频率、波长、波速、相位等）的测量是声学技术的重要内容。声速的测量在声波定位、探伤、测距中有广泛的应有。本实验分别采用驻波法和相位法测量超声波在空气中的传播速度。 【实验目的】 1. 学会使用驻波法和相位法测定超声波在空气中的传播速度。 2. 深刻理解驻波的特性，以及相位的物理含义。 3. 了解产生和接收超声波的原理。 【预习思考题】 1. 什么是驻波以及驻波的特点是什么？ 2. 什么是共振？如何判断测量系统是否处于共振状态？ 3. 如何确定最佳工作频率？ 4.相位法中比较的相位是哪两个相位？ 【实验仪器】 示波器，声速测试仪，信号发生器。 【实验原理】 1. 声速的测量 声波在空气中是以纵波传播的，其传播速度v和声源的振动频率f以及波长λ有如下关系： 测出声波波长和声源的振动频率就可以由式（4.2.1）求出声波的传播速度。声波波长的测量通常用驻波法和相位法来测量。 1.1 驻波法测声速 驻波法就是利用入射波和反射波在一定条件下干涉形成驻波进行测量的。 由波动理论可知：声源产生的声波信号经媒质垂直入射到某一刚性反射面上，就会被反射回来，形成反射波，在声源和反射界面之间，入射波和反射波发生干涉形成驻波。改变声

源和刚性反射面之间的距离l ，驻波场中各质点振动的振幅也在发生变化，当声源到刚性反射面之间的距离满足 2λ n l = （4.2.2） 时，各质点振动的振幅最大，这时在声源和刚性反射面之间各质点处于驻波共振状态。保持声源位置不变，沿波的传播方向上，改变刚性反射面的位置x ，在满足式（4.2.2）的位置上可以观察到驻波共振状态。由式（4.2.2）可知：相邻两次出现驻波共振状态对应的刚性反射面移动的距离x ?为2 λ，即 2λ =?x ( 4.2.3) 只要测出相邻两次出现驻波共振状态对应刚性反射面之间的距离x ?，就可以求出声波的波长，从而由式( 4.2.1 )计算出声速。这种测量声速的方法又称为驻波共振法。 实验中，通过用示波器观测反射端处的振动状态来判断质点是否处于驻波共振状态。 1.2 相位法测声速 相位法又称为行波法，是通过比较同一列波上两质点的相位差来进行测量的。 由声源发出的声波在沿其传播方向上，相位差为π的两质点之间的距离为半个波长2λ，因此，只要测出相位差为π的两质点之间的距离d ?，就可由 2λ =?d ( 4.2.4) 计算出波长，从而由波长及声源振动频率计算出声速。 实验中保持声源的位置不变，改变反射面的位置，用示波器测声源和反射面处两质点的相位差，记下相位差每变化π时反射面的位置d ，求出相位差变化π时反射面位置的变化d ?。 示波器测两信号的相位差有两种方法：双踪示波法和李萨如图形法，本实验用李萨如图形测两点的相位差。将声源和反射面处的信号分别输入至示波器的两个偏转板上，在示波器上观察到的李萨如图形是一椭圆，当改变反射面的位置时，两信号的相位差发生变化，李萨如图形由椭圆→直线→椭圆→直线发生周期性变化，如图4.2.1所示，其中相邻两次出现直线时反射面位置的变化就是相位差为π时两质点的距离d ?。

超声造影

超声医学最新进展——超声造影技术 前言 回顾医学超声发展的历史，我们看到，70 年代崛起的实时灰阶超声(real-time grey-scale ultrasound )即 B 型超声或二维灰阶超声断层扫描技术，奠定了现代超声诊断的基础，为超声极为广泛地临床应用铺平了道路；80 年代发展起来的彩色多普勒成像技术，使现代超声影像诊断极具特色,为心血管和全身器官组织血流的无损检测和血流动力学研究开创了新的领域；90 年代以来，许多超声新技术的出现可谓层出不穷，其中对医学超声最具影响力并能进一步提升其在现代影像技术中地位者，莫过于超声造影成像，即造影增强超声(contrast enhanced ultrasound)。借助于静脉注射造影剂和超声造影谐波成像技术，能够清楚显示微细血管和组织血流灌注，增加图像的对比分辨力，大大提高超声检出病变的敏感性和特异性。这和增强CT 扫描极为相似。如今造影不仅进一步开拓了临床应用范围，提高常规灰阶/彩色多普勒超声的诊断水平，在靶向治疗方面还具有良好的发展前景。总之，超声造影是重大的技术革新和研究方向，是医学超声发展历程中新的里程碑。 超声造影的概念 Barry B. Goldberg 是世界上研究开发新型超声造影剂的先驱者，他对各类超声造影剂的研究和应用表现出浓厚的兴趣。Goldberg 等将微泡超声造影剂称作血管造影剂（vascularcontrast agents）或血管增强超声造影剂，它有别于通常用于胃肠造影的口服造影剂（oralagents）。因此，超声造影有血管造影剂和口服或灌肠造影剂 2 类，前者也称微泡造影剂。十多年来，超声造影增强或血管超声造影技术的发展最为迅速。微泡超声造影剂初始研究阶段，最早用于造影的气体主要是空气和氧气，其后，是以CO２自由微气泡为代表的无壳膜造影剂静脉注射和经导管肝动脉内注射进行超声造影。90年代开始新型超声造影剂问世，以Levovist（利声显）、Albunex 和Echvist 为代表的含空气微泡的壳膜造影剂，称为第一代新型造影剂。此后，更有含惰性气体的SonoVue（声诺维）、Options 等为代表的壳膜型造影剂出现，亦称第二代新型造影剂。新型造影剂微泡的平均直径约3～5μm，可以顺利通过肺循环，实现左右心室腔、心肌以及全身器官组织和病变的造影增强。微泡超声造影剂的安全性：经大量实验研究和超过万例临床应用经验证明，微泡造影剂是安全的。据测算，超声造影每次静脉注入的微泡含空气/气体总量小于200μl（0.2 ml），没有发生气栓的任何危险；目前上市的造影剂中只有利声显的壳膜是由半乳糖构成，其余造影剂多以白蛋白、磷脂或聚合物等构成，易被人体自然代谢，对人体不会产生毒副作用。因此，是比较理想的超声造影剂。研究指出，第二代新型超声造影剂采用低溶解度和低弥散性的高分子量含氟惰性气体如SF6、C3F8 等，可显著延长微泡造影剂在人体血液中的寿命，增加了微泡的稳定性。超声造影原理 超声造影剂的研究经历了三个阶段,即以CO2 自由微气泡为代表的第一代无壳膜型造影剂,以Albunex 和Levovist (利声显) 为代表的第二代含空气微气泡有壳膜型造影剂,及含惰性气体的新型微泡造影剂如SonoVue 、Optison、Echogen 等。这些造影剂的基本原理都是通过改变声衰减、声速和增强后散射等,改变声波与组织间的基本作用,即吸收、反射和折射,从而使所在部位的回声信号增强。理想的超声造影剂微泡要小至能够通过肺、心脏及毛细血管循环,以便通过简单的外周静脉注射即可造影,并可以在成像中稳定地保持其声学效应。研究发现采用低溶解性、低弥散性的高分子气体如含氟气体,可以提高微泡在血液中的寿命,增加稳定性。随着高分子化学的发展,国外有学者利用可生物降解多聚体材料来替代人血白蛋白和磷脂等自然物质,改变微泡的外壳组成,从而避免了由于这些自然物质本身的局限性而造成的声学效果不稳定等问题。目前国内外的研究表明多聚体微泡的开发是最具有前途的超声造影剂,它可以通过改变聚合条件使其声学特性可以设计,可为某种成像条件“量身定做”适合

超声成像基础原理以及心脏超声

超声成像 学习要求：掌握超声成像的基本原理（超声、超声的物理特性及其应用）、超声图像的特点了解超声波的产生、超声成像、超声检查技术与设备，超声诊断的方法学目的：理解超声诊断的临床应用 超声成像的定义：利用超声波的物理特性和人体器官组织声学特征相互作用后所产生的信息,经信息处理形成图像的成像技术，借此进行疾病诊断的检查方法。 一、超声波的物理特性（1）： 波可分为：电磁波（包括可见光、无线电波、X线）和机械波（包括声波、水波、地震波）声波：20~20000 Hz 超声波：>20000 Hz 医用超声波：2.5~10 MHz 二、超声波的物理特征(2) 1.超声波的物理量（波长、频率、传播速度）及其关系: 物理量: 频率(f) : Hz 声速(c) : m /s 或cm/s 波长(λ) : m 介质密度(ρ) : g／cm3 声阻抗（Ｚ）：Ｚ＝ρ×ｃ(g／cm2．s) 关系: c2=K / ρ即声速取决于波长和频率, 并与介质中的弹性(K) 和密度(ρ) 密切相关c=f ×λ即同一介质中传播(C确定),频率越高则波长越短 传播速度: 固体>液体>气体 2.束射性或指向性（超声波的直线传播） 其方向性与超声频率、声源直径及后者与波长的比值有关 扩散角越小,方向性越好 3.反射：超声在均质性介质传播中不出现反射 反射条件: ①介质声阻抗差>0.1% ②界面大于波长 声阻抗=介质密度与速度的乘积 4.散射

超声波在介质中传播如遇不规则的小界面, 或界面小于波长时,则发生散射 5.衰减： 超声波在介质中传播由于介质吸收(声能转化为热) 、反射、散射等原因,其振幅与强度逐渐降低,这种现象称为衰减。（振幅与强度的减小） 6.多普勒效应： 声束在介质中传播时，如遇到运动的反射界面，其反射的超声波频率随界面运动的情况而发生改变的现象 三、超声波的产生： 1、压电晶片(换能器) 2、压电效应：逆压电效应(电能转变为声能) 正压电效应 四、超声成象基本原理 1、器官、组织中各种界面对超声波的不同反射和/或散射是构成图象的基础。 2、仪器将接收到的含有各种声学信息的回声，经过处理，在显示器上显示为波形、曲线、图象 五、超声诊断的种类 1、A型---A mplitude 以波的形式显示出来,为幅度调制型 2、M型---M otion echocardiography 是B型超声中的一种特殊显示方式 3、B型---B rightness 以光点的形式显示出来,为辉度调制型 扫查连续, 由点, 线而扫描出脏器的解剖切面, 是二维空间显示, 又称二维法 4、D型---D oppler ( pw、cw、color doppler) 彩色多普勒血流显像CDFI(color Doppler flow imaging)： 将二维彩色血流信号重叠到二维B型扫描或M型扫描图上,实现解剖结构与血流状态两种图像结合的实时显像 用红, 黄, 蓝三种基本颜色编码,显示不同血流方向 颜色的辉度与血流速度成正比 彩色多普勒血流显像不仅能清楚的显示心脏大血管的形态结构和活动情况,而且能直观和形象地显示心内血流的方向、速度、范围、有无血流紊乱及异常通路等 ——故有人称之为非损伤性心血管造影法。 六、超声图像特点：

超声波测距实验报告

电子信息系统综合设计报告 超声波测距仪

目录 摘要 (3) 第一章绪论 (3) 1.1 设计要求 (3) 1.2 理论基础 (3) 1.3 系统概述 (4) 第二章方案论证 (4) 2.1 系统控制模块 (5) 2.2距离测量模块 (5) 2.3 温度测量模块 (5) 2.4 实时显示模块 (5) 2.5 蜂鸣报警模块 (6) 第三章硬件电路设计 (6) 3.1 超声波收发电路 (6) 3.2 温度测量电路 (7) 3.3 显示电路 (8) 3.4 蜂鸣器报警电路 (9) 第四章软件设计 (10) 第五章调试过程中遇到的问题及解决 (11) 5.1 画PCB及制作 (11) 5.2 焊接问题及解决 (11) 5.3 软件调试 (11) 实验总结 (13) 附件 (14) 元器件清单 (14) HC-SR04超声波测距模块说明书 (15) 电路原理图 (17) PCB图 (17) 程序 (18)

摘要 该系统是一个以单片机技术为核心,实现实时测量并显示距离的超声波测距系统。系统主要由超声波收发模块、温度补偿电路、LED显示电路、CPU处理电路、蜂鸣器报警电路等5部分组成。系统测量距离的原理是先通过单片机发出40KHz 方波串，然后检测超声波接收端是否接收到遇到障碍物反射的回波，同时测温装置检测环境温度。单片机利用收到回波所用的时间和温度补偿得到的声速计算出距离，显示当前距离与温度，按照不同阈值进行蜂鸣报警。由于超声波检测具有迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制的特点，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在生产生活中得到广泛的应用，例如超声波探伤、液位测量、汽车倒车雷达等。 关键词：超声波测距温度测量单片机 LED数码管显示蜂鸣报警 第一章绪论 1.1设计要求 设计一个超声波测距仪，实现以下功能： (1)测量距离要求不低于2米； (2)测量精度±1cm； （3）超限蜂鸣器或语音报警。 1.2理论基础 一、超声波传感器基础知识 超声波传感器是利用晶体的压电效应和电致伸缩效应，将机械能与电能相互转换，并利用波的特性，实现对各种参量的测量。 超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关，与环境条件也有关： 在气体中，超声波的传播速度与气体种类、压力及温度有关，在空气中传播速度为C=331.5+0.607t/0C (m/s) 式中，t为环境温度，单位为0C. 二、压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 三、超声波测距原理 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在空气中传播的距离较远，因而超声波

超声波是怎么产生的

超声波是怎么产生的声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。超声波是指振动频率大于20190Hz以上的，其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的一般上限（20190Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。由于其频率高，因而具有许多特点：首先是功率大，其能量比一般声波大得多，因而可以用来切削、焊接、钻孔等。再者由于它频率高，波长短，衍射不严重，具有良好的定向性，工业与医学上常用超声波进行超声探测。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，1兆Hz=10PHz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在16-20190HZ 之间）。 超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律， 与可听声波的规律没有本质上的区别。但是超声波的波长很 短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声 波具有许多奇异特性：传播特性——超声波的波长很短，通 常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波 的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声 波的波长越短，该特性就越显著。功率特性——当声音在空 气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。 声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波

的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。空化作用当超声波在介质的传播过程中，存在一个正负 压强的交变周期，在正压相位时，超声波对介质分子挤压，改变介质原来的密度，使其增大; 在负压相位时，使介质分子稀疏，进一步离散，介质的密度减小，当用足够大振幅的超声波作用于液体介质时，介质分子间的平均距离会超过使液体介质保持不变的临界分子距离，液体介质就会发生断裂，形成微泡。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。

超声诊断仪基本原理和结构

江西中医学院计算机学院08生物医学工程2班黄月丹学号5047 超声诊断仪原理及其基本结构 超声成像检查技术是指运用超声波的物理特性，通过高科技电子工程技术对超声波发射、接收、转换及电子计算机的快速分析处理和显像，从而对人体软组织的物理特性、形态结构与功能状态作出判断的一种非创性检查技术。 超声诊断技术的发展历程 20世纪50年代建立，70年代广泛发展应用的超声诊断技术，总的发展趋势是从静态向动态图像(快速成像)发展，从黑白向彩色图像过渡，从二维图像向三维图像迈进，从反射法向透射法探索，以求得到专一性、特异性的超声信号，达到定量化、特异性诊断的目的。80年代介入性超声逐渐普及，体腔探头和术中探头的应用扩大了诊断范围，也提高了诊断水平，90年代的血管内超声、三维成像、新型声学造影剂的应用使超声诊断又上了一个新台阶。 二．超声诊断仪的种类 (一) A型这是一种幅度调制超声诊断仪，把接收到的回声以波的振幅显示，振幅的高低代表回声的强弱，以波型形式出现，称为回声图，现已被B型超声取代，仅在眼科生物测量方面尚在应用，其优点是测量距离的精度高。(二) B型这是辉度调制型超声诊断仪，把接收到的回声，以光点显示，光点的灰度等级代表回声的强弱。通过扫

描电路，最后显示为断层图像，称为声像图。B型超声诊断仪由于探头和扫描电路的不同，显示的声像图有矩形、梯形和扇形。矩形声像图和梯形声像图用线阵探头实现，适用于浅表器官的诊断；扇形声像图用的探头有多种，机械扇扫探头、相控阵探头和凸阵探头均显示扇形声像图。前二种探头可由小的声窗窥见较宽的深部视野，适用于心脏诊断；后一种探头浅表与深部显示均宽广，适用于腹部诊断，有一种曲率半径小的凸阵探头，也可用小的声窗，窥见深部较宽的视野。 (三) M型 M型超声诊断仪是B型的一种变化，介于A型和B型之间，得到的是一维信息。在辉度调制的基础上，加上一个慢扫描电路，使辉度调制的一维回声信号，得到时间上的展开，形成曲线。用以观察心脏瓣膜活动等，现在M型超声已成为B型超声诊断仪中的一个功能部分不作为单独的仪器出售。(四) D型在二维图像上某点取样，获得多普勒频谱加以分析，获得血流动力学的信息，对心血管的诊断极为有用，所用探头与B型合用，只有连续波多普勒，需要用专用的探头。超声诊断仪兼有B型功能和D型功能者称双功超声诊断仪。(五) 彩色多普勒超声诊断仪具有彩色血流图功能，并覆盖在二维声像图上，可显示脏器和器官内血管的分布、走向，并借此能方便地采样，获得多普勒频谱，测得血流的多项重要的血流动力学参数，供诊断之用。彩色多普勒超声诊断仪一般均兼有B型、M型、D型和彩色血流图功能。(六) 三维超声诊断仪三维超声是建立在二维基础上，在彩色多普勒超声诊断仪的基础上，配上数据采集装置，再加上三维重建软件，该仪器即有三维显示功能。(七) C型C型超声仪也是辉度调制型的一种，与B型不同的是其显示层面与探测面呈同等深度。超声诊断仪基本原理

超声波特性

超声波的四个特性及应用特性 来源：全球五金网2011-9-8 作者：济宁天华超声电子仪器有限公司公司产品公司商机公司招商公司新闻 超声波顾名思义，超过常规声波的声波。声波是指人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为16Hz-20KHz。当声波的频率低于16Hz时就叫做次声波，高于20KHz则称为超声波声波。 超声波特性有四个方面： 1）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。 2）超声波可传递很强的能量。 3）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。 4）超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。 1.束射特性 由于超声波的波长短，超声波射线能够和光线一样，可以反射、折射，也能聚焦，而且．恪守几何光学上的定律。即超声波射线从一种物质外表反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射，也就是要改动它的传插方向，两种物质的密度差异愈大，则折射也愈大。 2.吸收特性 声波在各种物质中传播时，随着传播间隔的增加，强度会渐进削弱，这是由于物质要吸收掉它的能量。关于同一物质，声波的频率越高，吸收越强。关于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收最历害，在液体中传播时吸收比拟弱，在固体中传播时吸收最小。 3.超声波的能量传送特性 超声波所以往各个工业部门中有普遍的应用，主要之点还在于比声波具有强大得多的功率。为什么有强大的功率呢?由于当声波抵达某一物资中时，由于声波的作用使物质中的分子也跟着振动，振动的频率和声波频率―样，分子振动的频率决议了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。 物资分子由于振动所取得的能量除了与分子的质量有关外，是由分子的振动速度的平方决议的,所以假如声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量、超声波的频率比声波能够高很多，所以它能够使物资分子取得很大的能量；换句话说，超声波自身能够供应物质足够大的功率。 4.超声波的声压特性 当声波通入某物体时,由于声波振动使物质分子产生紧缩和稠密的作用，将使物质所受的压

超声波传感器测距原理

一、超声波测距原理 超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为v ,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差△t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离S ,即: S = v·△t /2 ① 这就是所谓的时间差测距法。 由于超声波也是一种声波, 其声速C与温度有关,表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时,如果温度变化不大, 则可认为声速是基本不变的。常温下超声波的传播速度是334 米/秒,但其传播速度V 易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大，如温度每升高1 ℃, 声速增加约0. 6 米/ 秒。如果测距精度要求很高, 则应通过温度补偿的方法加以校正（本系统正是采用了温度补偿的方法）。已知现场环境温度T 时, 超声波传播速度V 的计算公式为： V = 331.45 + 0.607T ② 声速确定后, 只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。这就是超声波 测距仪的机理。

二、系统硬件电路设计 图2 超声波测距仪系统框图 基于单片机的超声波测距仪框图如图2所示。该系统由单片机定时器产生40KHZ 的频率信号、超声波传感器、接收处理电路和显示电路等构成。单片机是整个系统的核心部件，它协调和控制各部分电路的工作。工作过程：开机，单片机复位，然后控制程序使单片机输出载波为40kHz 的10个脉冲信号加到超声波传感器上，使超声波发射器发射超声波。当第一个超声波脉冲群发射结束后，单片机片内计数器开始计数,在检测到第一个回波脉冲的瞬间,计数器停止计数，这样就得到了从发射到接收的时间差△t;根据公式①、②计算出被测距离,由显示装置显示出来。下面分别介绍各部分电路： 1 、超声波发射电路 超声波发射电路如图3所示，89C51通过外部引脚P1.0 输出脉冲宽度为250μs , 40kHz 的10个脉冲串通过超声波驱动电路以推挽方式加到超声波传感器而发射出超声波。由于超声波的传播距离与它的振幅成正比,为了使测距范围足够远,可对振荡信号进行功率放大后再加在超声波传感器上。 图3中T 为超声波传感器，是超声波测距系统中的重要器件。利用逆压电效应将加在其上的电信号转换为超声机械波向外辐射; 利用压电效应可以将作用

超声波焊接工艺特点

超声波焊接的焊点，应有高的接合强度和合格的表面质量，除了表面不能有明显的挤压坑和焊点边缘的凸出以外，还应注意与上声极接触处的焊点表面情况，不允许有裂纹和局部未熔合，因此，超声波焊接的形式选择、接头设计和焊接参数选择非常重要。 一、超声波焊接特点 1) 可焊接的材料范围广，可用于同种金属材料、特别是高导电、高导热性的材料（如金、银、铜、铝等）和一些难熔金属的焊接，也可用于性能相差悬殊的异种金属材料（如导热、硬度、熔点等）、金属与非金属、塑料等材料的焊接，还可以实现厚度相差悬殊以及多层箔片等特殊结构的焊接。 2) 焊件不通电，不需要外加热源，接头中不出现宏观的气孔等缺陷，不生成脆性金属间化合物，不发生像电阻焊时易出现的熔融金属的喷溅等问题。 3) 焊缝金属的物理和力学性能不发生宏观变化，其焊接接头的静载强度和疲劳强度都比电阻焊接头的强度高，且稳定性好。 4) 被焊金属表面氧化膜或涂层对焊接质量影响较小，焊前对焊件表面准备工作比较简单。 5) 形成接头所需电能少，仅为电阻焊的5％；焊件变形小。 6) 不需要添加任何粘结剂、填料或溶剂，具有操作简便、焊接速度快、接头强度高、生产效率高等优点。超声波焊接的主要缺点是受现有设备功率的限制，因而与上声极接触的焊件厚度不能太厚，接头形式只能采用搭接接头，对接接头还无法应用。 二、超声波焊接的分类 超声波焊接分类按照超声波弹性振动能量传入焊件的方向，超声波焊接的基本类型可以分为两类：一类是振动能量由切向传递到焊件表面而使焊接界面产生

相对摩擦，这种方法适用于金属材料的焊接；另一类是振动能量由垂直于焊件表面的方向传入焊件，主要是用于塑料的焊接。常见的金属超声波焊接可分为点焊、环焊、缝焊及线焊；近年来，双振动系统的焊接和超声波对焊也有一定的应用。 （1）点焊点焊是应用最广的一种焊接形式，根据振动能量的传递方式，可以分为单侧式、平行两侧式和垂直两侧式。振动系统根据上声极的振动方向也可以分为纵向振动系统、弯曲振动系统以及介于两者之间的轻型弯曲振动系统。功率500W以下的小功率焊机多采用轻型结构的纵向振动；千瓦以上的大功率焊机多采用重型结构的弯曲振动系统；而轻型弯曲振动系统适用于中小功率焊机，它兼有上述两种振动系统的优点。 （2）环焊环焊方法如图5所示，主要用于一次成形的封闭形焊缝，能量传递采用的是扭转振动系统。焊接时，耦合杆4带动上声极5作扭转振动，振幅相对于声极轴线呈对称分布，轴心区振幅为零，边缘位置振幅最大。该类焊接方法最适合于微电子器件的封装工艺，有时环焊也用于对气密性要求特别高的直线焊缝的场合，用来代替缝焊。由于环焊的一次焊缝的面积较大，需要有较大的功率输入，因此常常采用多个换能器的反向同步驱动方式。 （3）缝焊与电阻焊中的缝焊类似，超声波缝焊实质上是由局部相互重叠的焊点形成一条连续焊缝。缝焊机的振动系统按其滚轮振动状态可分为纵向振动、弯曲振动以及扭转振动三种形式（图6）。其中最常见的是纵向振动形式，只是滚轮的尺寸受到驱动功率的限制。缝焊可以获得密封的连续焊缝，通常焊件被夹持在上下滚轮之间，在特殊情况下可采用平板式下声极。 （4）线焊它是点焊方法的一种延伸，利用线状上声极，在一个焊接循环内形成一条狭窄的直线状焊缝，声极长度就是焊缝的长度，现在可以达到150mm，这种方法最适用于金属薄箔的封口。 （5）双超声波振动系统的点焊：上下两个振动系统的频率分别为27kHz和20kHz（或15kHz），上下振动系统的振动方向相互垂直，焊接时二者作直交振动。当上下振动系统的电源各为3kW时，可焊铝件的厚度达10mm，焊点强度达到材料本身的强度。双超声波振动系统多用于集成电路和晶体管细导线的焊接，虽然焊接方法与点焊基本相同，但焊接设备复杂，要求设备的控制精度高，以便实现焊点的高质量和高可靠性焊接。

超声波的基本原理及传播特点 (1)

目录 摘要 (2) 引言 (3) 1.超声波的基本原理及传播特点 (4) 1.1什么是超声波 (4) 1.2超声波的基本原理 (4) 1.2.1压电效应及脉冲超声波的产生 (4) 1.2．2超声波波形 (5) 1.3超声波传播的特点 (6) 2.超声波的应用 (6) 2.1超声波在制浆造纸中的应用 (7) 2.2超声波传感器 (8) 2.3超声波测距 (9) 2.4超声波在医学诊断中的应用 (10) 2.5超声波在生物技术领域的应用 (11) 2.5.1用于培养液及药物的雾化 (11) 2.5.2提高种子发芽率和遗传物质的转化率 (11) 2.6超声波在军事中的应用 (11) 3. 结束语 (12) 参考文献 (12) 致谢 (13)

摘要 超声波是一种高能机械波，本文通过介绍超声波的产生机制和基本原理。让读者更深层次的认识超声波，文中根据超声波的自身特点从超声波传感器、超声波测距、及超声波在纸浆造纸中、医学诊断中、生物技术领域中、军事中的应用这六个方面进行详细讲述。超声波是一门年轻的学科，随着超声研究技术的不断成熟，未来将会更好的应用在生产生活中。 关键词：超声波；传感器；测距；医学诊断 Abstract Ultrasonic is a kind of high-energy mechanical wave, this paper introduces the basic principle of ultrasonic generation mechanism and give readers a deeper understanding of ultrasound, in this paper, according to the characteristics of ultrasonic sensors, ultrasonic distance measurement, and ultrasonic in pulp papermaking, medical diagnosis, in the field of biotechnology, the application of the military in these six aspects in detail. Ultrasonic is a young discipline, with the ultrasonic technology matures, the future will be better application in the production and living. Key words: ultrasonic ；the sensor ；ranging; medical diagnosis 引言 超声波最早被人类发现是在1793年由意大利科学家斯帕拉捷在蝙蝠身上发现其存在，随后的30多年里人们进行了有关超声波的产生机理方面的大量研究，直到1830年F ·Savar 用齿轮产生4104.2 HZ 的超声，首次实现了人类在人工控制下超声波的产生，开启了超声历史的新纪元，其他新技术如压电效应与逆压电效应的发现大大推动了超声波的快速发展，在随后的60年间，世界各地区有关超声技术的研究不断的取得突破性成果，20世纪的40年代超声技术开始应用于临床医疗方面，这也同样推动了人类医疗事业的发展，有关超声波在医学方面的应用与研究取得突破性进展，国际间也有过许多的交流与合作，共同推动了超声科技的发展和进步。我国在超声方面的研究相对落后于国际主流国家，我国由于当时特别的时期和特别的情况，20世纪60年代才开始超声方面的研究，有关超声学的相关研究始于也在这个时期真正开始，并且在随后的几年发展中取得了许多重要成果和重要的应用，如金属探伤、种子的培育、印染等。在基础研究方面也取得了重要进展，如研制出有关超声波在固体中衰减所用的检测设备，进行了有关超声乳化等课题的研究，研制出分子声学试验等设备，表面换能器的相关研究在1960年左右开始。改革开放的新时期，超声技术开始了实际应用之路，并且在该领域的一些列成果开始走进我们的生

超声波测距电路

超声波测距电路 摘要：随着单片机、DSP、FPGA、CPLD技术的不断成熟，各种智能测量系统不断涌现，测距电路可以用在工业生产、医疗技术、日常生活中各个方面，典型的应用如汽车倒车告警、机器人的自动避障行走、工业上的液位、井深、管道长度等场合，本文在介绍超声波测距原理的基础上总结并讨论现有的几种电路设计方法，并提出增大测量距离及改善系统性能的实现方法。 关键词：超声波；测距；FPGA实现 1超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,它是由与介质相接触的振荡源所引起的,其频率在20KHz以上。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。超声波在介质中传播时在不同介面上具有反射的特性,由于它有指向性强、方向性好、传播能量大、传播距离较远等特点,常用于测量物体的距离、厚度、液位等。超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关,它在空气中的传播速度为340m/s。发射一定频率的超声波,借助空气媒质传播,到达测量目标或障碍物后反射回来,其所经历的时间长短与超声波传播的路程的远近有关,测试传输时间可以得出距长。利用超声波特性、单片机控制、电子计数相结合可以实现非接触式测距。由于超声波检测迅速、方便、计算简单,且不受光线、电磁波、粉尘等的干扰,其测量精度较高。常用于桥梁、涵洞、隧道的距离检测中。 2使用超声波和使用激光测距的比较：基于以上介绍的超声波的特点不难区分它们的各自的适用场合，激光测距主要用于远程，如测月球到地球距离，或远距离无障碍测距，而且成本要比用超声波大，因为光速为3×10^8M/S，而一般市场上的单片机最高频率在十几至几十兆，（本人接触的ARM最大30M）如果测量的距离在十米左右，那么假设单片机别的都不做只是计数，出射光将在大约0.033us后返回，要求单片机CLK为1/0.033MHz，也就是说30M时钟频率的单片机刚发出出射激光的命令，光就已经在它的下个CLK脉冲来到了，更别提计数了，即使使用频率很高的单片机或其他器件如FPGA等在精度上将不能满足需要（通常在收发间隔中得到的计数脉冲越多精度越高）。但值得注意的是,超声波在空气中传播速度会随介质温度的升高而增大,气温每上升1℃,声波速度增加0.6mPs。所以在测量中要考虑温度变化的因素,进行温度补偿修正,减少测量误差。另外超声波在传输距离稍大时衰减很大，精度也随之降低。 3超声波发生/接收器：为了研究和利用超声波,人们研究了多种超声波发生器,常用的超声波发生器可以分为二大类,一是用电气方式产生超声波,如压电式、磁致伸缩式超声波发生器;二是用机械方式产生超声波,有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同。这里采用第一类的压电式超声波发生器,是利用压电晶体的电致伸缩现象,即压电效应。常用的压电材料有石英晶体、压电陶瓷等。在压电材料切片上施加一定频率的交变电压,当外加信号频率等于压电晶片的固有频率时,会产生电致伸缩振动,产生共振,并带动共振板振动,产生超声波。超声波的频率越高,方向性越好,但频率太高,衰减也大,传播的距离越短。考虑到实际工程测量要求,可以选用超声波的频率f=40kHz,波长λ=0.85cm。超声波的接收是利用超声波发生器的逆效应(逆压电效应)而进行工作的。当一定频率的超声波作用到压电晶体片上时,使晶体伸缩,在晶体的两端面产生交变电荷,把电荷转换成电压,再经放大输出,它的结构与发生器类似。发送和接收可以由一个超声换能器承担，它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的器件或装置。换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能，向外发送超声波；反之，当换能器处在接收状态时，它可将声能(机械能)转换为电能。超声波发生/接收器的外形和通常的驻极体话筒差不多，如果发生接收是分开的两个在安装过程中要注意它们之间的距离大概在6—8CM否则过于靠近易产生干扰。（可采用MA40LIS和MA40LIR） 4超声测距原理：最常用的超声测距方法是回声探测法。其工作原理是：使换能器向介质发射声脉冲，声波遇到被测物体(目标)后必有反射回来的声波(回波)作用于换能器上。若已知介质的声速为c，第一个回波到达的时刻与发射脉冲时刻的时间差为t，那么即可按式s=ct／2计算换能器与目标之间的距离。考虑到传感器的成本与安装的方便性，也可采用收发兼用型超声波探头，即实际距离d=s。声波的速度c与温度T有关。如果环境温度变化显著,则必须考虑温度 补偿问题。 5系统设计：

超声造影试题

第八章超声造影 1超声造影剂产生的散射回声强度与造影剂颗粒的横截面大小成（A） A 正比 B 反比 C 等比 D 无比例关系 E 频率决定比例关系 2左心室及外周血管超声造影，因造影剂必须通过毛细血管网，所有造影剂气泡直径必须小于（B） A 红细胞 B 10um C 20um D 50um E 100um 3心肌造影的造影剂必须进入心肌内的冠状动脉的细小分支，所以造影剂微气泡直径必须小于（A） A 5um B 10um C 20um D 50um E 100um 4以下那些造影剂不可以应用于心肌造影(B) A AHV563 A 声振白蛋白溶液 B 1％的盐酸或2％的醋酸或3％的 双氧水 C AFO150（以人体白蛋白、脂类、聚合物包裹氟碳微气泡的造影剂）D 以糖类为基质的超声造影剂 E QW7437（以人体白蛋白、脂类、聚合物包裹氟碳微气泡的造影剂） 5造影剂在超声作用下产生振动，以下哪些描述振动的频率不正确（B） A 振动的频率是线性的 B 振动的频率是非线性的 C 与超声波 的频率有关 D 与超声波的波长有关 E 与超声波的频率保持谐振关系 6谐振是指（D） A 造影剂微气泡的振动频率与发射超声频率成非线性比例 B 照影 剂微气泡的振动频率与发射超声的振幅成线性比例C造影剂微气泡的振动频率与发射超声频率不一致D造影剂微气泡的振动频率与发射超声频率一致 E 造影剂微气泡的振动频率与发射超声频率无关 7在达到谐波反射状态时，造影剂的散射散射面积比实际的几何面积大 (D) A 1倍 B 2倍 C 3倍 D 4倍 E 9倍 8造影剂的第一次谐波反射，也称为（A） A 基波反射 B 声波反射 C 二次谐波 D 三次谐波 E 四次谐波9超声造影的反射源是（B） A 气体 B 微气泡 C 血液中的胶原蛋白 D 血液中的红细胞 E 以上都可以 10压缩系数大小的排列顺序哪个正确（D） A 气体> 固体> 液体 B 固体> 液体> 气体 C 液体> 固 体> 气体 D 气体> 液体> 固体 E 固体> 气体> 液体 11右心超声造影的原理是（E） A 造影剂经静脉注射或点滴进入人体 B 微气泡直径小于10um C