1、超聲波原理及應用廣州市番禺奧迪威電子有限公司目錄n超聲波簡介n壓電陶瓷簡介自然界中的超聲波超聲波的類型n縱波n橫波n表面波n板波表面波n表面波主要是指沿介質表面傳遞，而介質的質點沿橢圓形軌跡振動的波。n表面波是一種瑞利波。 板波 在板厚與波長相當的薄板中傳播的波。根據質點的振動方向不同可將板波分為SH波和蘭姆波。 SH波波：水平偏振的橫波在薄板中傳播的波。薄板中各質點的振動方向平行于板面而垂直于波的傳播方向，相當于固體介質表面中的橫波。 蘭姆波：蘭姆波：蘭姆波又分為對稱型和非對稱型。 對稱型蘭姆波的特點是薄板中心質點作縱向振動，上下表面質點作橢圓運動、振動相位相反并對稱于中心。 非對稱型蘭姆波

2、特點是薄板中心質點作橫向振動，上下表面質點作橢圓運動、相位相同。超聲波的特點（1）n超聲波可以在氣體、液體、固體、固熔體等介質中有效傳播n超聲波可以攜帶較多的能量n超聲波的傳播具有方向性n超聲波在界面上會產生折射和反射，而且可能會改變振動模式。n超聲波在液體中可以產生空化效應n超聲波具有多普勒效應超聲波的特點（2）n容易衰減（在液體和固體中衰減較小）n傳播速度受溫度影響n在兩種不同介質的界面處反射強烈，在許多場合必須使用耦合劑或匹配材料。n超聲波可以聚焦。超聲波的產生機制n電磁振動n磁致伸縮效應n壓電效應n靜電引力n其它形式的機械振動超聲波效應n機械效效應：清洗、加工、拋光n聲學效應：超聲波探

3、測 n熱效應：超聲波焊接n空化效應：乳化、霧化n化學效應：n例如純的蒸餾水經超聲處理后產生過氧化氫；溶有氮氣的水經超聲處理后產生亞硝酸；染料的水溶液經超聲處理后會變色或退色。n生物效應：加快植物種子發芽超聲波的相關術語n聲場n發射角n聲阻抗n聲匹配n衰減系數聲場發射角n超聲波的傳播具有方向性，n發射角與波長和換能片尺 寸相關。n頻率越高、直徑越大波束 角越小。聲阻抗n超聲場中任一點的聲壓與該處質點振動速度之比稱為聲阻抗，常用Z表示。 Z=p/u=cu/u=cn超聲波在兩種介質組成的界面上的反射和透射情況與兩種介質的聲阻抗密切相關。1220121202ZZZPptZZZZPprtr聲匹配n當超聲

4、波透過兩種不同的介質傳播時，由于兩種介質的聲阻抗不同，會在界面處形成反射，從而影響超聲波的傳遞。n為了提高超聲波的傳遞效果，實踐上常用的方法是在兩種介質中間增加一個匹配層。n固態的的匹配材料一般叫匹配層，液態的一般稱為耦合劑。n聲匹配公式：超聲波的強度（能流密度）22222221AvfAvwvII 能流密度，波的強度，瓦/平方米w 能量密度，單位焦耳/立方米v 速度A 振幅f 頻率衰減系數n超聲波在介質中傳播會發生衰減。主要有擴散衰減、散射衰減和吸收衰減。通常所說的衰減包括散射衰減和吸收衰減，不包括擴散衰減。n以平面波為例，其聲壓衰減方程為 n聲壓以指數形式衰減，相應的系數被稱為衰減系數。xx

5、ePP0超聲波的應用n測量：距離、流速、流量、厚度n探測：超聲測距、安防探測、醫學成像、無損探測、水下聲納、地質勘探、管道檢漏、觸摸屏n霧化：加濕、盆景、園藝、消毒、n空化：煉油、乳化n清洗：珠寶、首飾、精密零件n加工：磨削、鉆孔、拋光、焊接n美容：按摩、潔齒n醫療：結石破碎、醫學成像、呼吸醫療n馬達：相機鏡頭、微位移控制n生物：促進種子發芽n化學：加快酒類醇化、加快化學反應速度超聲波線纜測高儀 倒車雷達超聲波霧化器超聲波超聲波霧化器 塑料點焊機塑料點焊機n頻率：頻率：28KHZn功率：功率：300W超聲波超聲波焊接機 多頻聲化學發生器 超聲波驅蟲器超聲波圓筒式分散儀超聲馬達涂層測厚儀涂層測厚

6、儀美國DeFelsko公司n技術參數技術參數:n測量范圍: 25-1000mn分辨率: 2m n精度: (2m+3%的讀數)n測量速率: 45個讀數/秒超聲探傷儀超聲探傷儀德國德國 Krautkramer K.K 公司公司醫學超聲成像醫學超聲成像線陣聲納線陣聲納德國德國n基元數基元數:3X96, n基陣長：基陣長：48米米小結n超聲波最大的特點就是可以以振動的方式傳遞能量而不影響人類的聽覺。n超聲波的利用主要體現在三個方面，一是微幅高頻振動的利用，二是能量傳遞效果的利用，三是超聲信號的利用。n具體地說，就是超聲馬達、超聲換能和超聲傳感。目前的大部分超聲波應用都可以歸結到這三個類別里面。壓電陶瓷

7、n壓電材料n壓電發展歷史n壓電材料簡介n常見的壓電材料n壓電材料的性能參數n壓電材料應用自然界中的壓電材料石英高分子壓電材料（壓電薄膜）壓電陶瓷歷史n1880年 法國的P.Curie和J. Curie兄弟在研究熱電性與晶體對稱 性的關系時發現了正壓電效應這一物理現象，他們所 報導的這些晶體中就有后來廣為研究的羅息鹽(NaKC4H4O6.4H2O酒石酸鉀鈉) 。n1881年 李普曼(G. Lippman)根據能量守恒和電荷量守恒的 原理，推測逆壓電效應(Converse piezoelectric effect) 的存在，這一預言很快就被居里兄弟用實驗所證實。后來 發現了磷酸二氫鉀、硫酸鋰單水化

8、合物和BaTiO3等重要壓電晶體。 n1916年 朗之萬(Langevin)用壓電石英晶體作成水下發射和接收 換能器，這是最早的壓電換能器，并用于探測水下的物體。n1918 年 卡迪（Cady）研究了羅息鹽晶體在機械諧振頻率特有的電性能，導致羅息鹽電聲組件問世。n1921年 相繼研制成功石英諧振器和濾波器，開創 了壓電效應在穩頻、計時和電子技術方面 的應用。壓電陶瓷歷史n1947年 采用BaTiO3壓電陶瓷制成了拾音器，這對壓電材料的應用具有重大意義，極大地刺激了 壓電陶瓷材料的研究與應用開發。n 1969年 發現聚偏氟乙烯薄膜制程的駐極體具有優良的壓電性后，聚合物駐極體的研究和應用迅速發展起

9、來。 壓電陶瓷歷史常見的壓電陶瓷材料n1、鈦酸鋇（BaTiO3）壓電陶瓷具有較高的壓電系數和介電常數，機械強度不如石英。n2、鋯鈦酸鉛Pb（ZrTi）O3系壓電陶瓷（PZT）壓電系數較高，各項機電參數隨溫度、時間等外界條件的變化小，在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元素，可以獲得不同性能的PZT材料。n3、鈮鎂酸鉛Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3壓電陶瓷（PMN）具有較高的壓電系數，在壓力大至700kg/cm2仍能繼續工作，可作為高溫下的力傳感器。壓電原理石英的晶體結構(b)(a)+-YXXY硅氧離子的排列示意圖(a) 硅氧離子在Z平面上的投影（b）等效為正六邊形排列的投影+石英

10、的壓電機制壓電陶瓷的極化直流電場E剩余極化強度剩余伸長電場作用下的伸長(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后 極化后的壓電陶瓷 自由電荷束縛電荷電極電極極化方向陶瓷片內束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖壓電效應壓電效應壓電效應逆壓電效應逆壓電效應壓電陶瓷等效模擬電路 并聯模擬電路 串聯模擬電路n壓電應變常數d33: 表示在壓電晶體上施加單位電壓時所產生的應變大小。 n壓電電壓常數g33： 表示作用在壓電晶體上單位應力所產生的電壓梯度大小。 )/(33VmUtd)/(33NmVPUgP壓電材料的主要性能參數壓電材料的主要性能參數n介電常數:n 機電耦合系數K: 表示壓電材料機械能(聲

11、能)與電能之間的轉換效率。n機械品質因子Qm : 壓電晶片在諧振時貯存的機械能E貯與在一個周期內損耗的能量E損之比稱為機械品質因子Qm。 AtC輸入的能量轉換的能量K損貯EEQmn頻率常數Nt: 壓電晶片的厚度與固有頻率的乘積是一個常數，這個常數叫做頻率常數。n居里溫度Tc： 使壓電材料的壓電效應消失的溫度。 常數）(20LtctfN壓電材料的主要性能參數壓電材料的主要特性 n轉換性能：要求具有較大的壓電常數。n機械性能：機械強度高、剛度大。n電性能：高電阻率和大介電常數。n環境適應性：溫度和濕度穩定性要好，要求具有較高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。n時間穩定性：要求壓電性能不隨時間變化。壓電材料應用壓電陶瓷按照應用分類共分為七大類： n壓電振蕩器及材料n壓電聲電組件：蜂鳴器、送話器、受話器、壓電喇叭 n壓電超音波換能器：超音波清洗、超音波霧化、超音波美容、超音波探測n信息處理組件：濾波器、諧振器、檢波器、監頻器、表面聲波、延遲線 n動力裝置：點火器、超音波切割、超音波粘接、壓電馬達、壓電變壓