2 课题的相关原理

2．1  超声波的特性

声音是和人类的生活息息相关的一种自然现象。声音的频率高于人类的听觉的频率范围时，人们就会听不出声音的存在，这种高频率的声音被称为超声波[4]。人的听觉范围如图2-1所示。

图2-1 人的听觉范围 

超声波的特性有：

（1）束射特性文献综述

由于超声波的频率比较高，超声波可就变的像光一样，能够折射、反射、聚焦，并且符合光学上的各种定律，即超声波在介质表面发生反射时，反射角等于入射角[5]。

（2）吸收特性

声音在介质里传输时，其能量会随着传播距离的增加而减弱，因为介质会吸收声波的一部分能量。对于同一介质，介质的吸收随着声音频率的增加而增加。频率固定的声波在气体中传播时吸收最多，在液体中传播吸收较弱，在固体中最小。

（3）超声波的能量传递特性

超声波之所以可以在各个行业中有着广泛的应用，主要原因是其有很高的功率。当声波在某一介质中传播时，由于声波是振动的波，使得介质中的分子也一起振动，频率和声音频率—样，频率越高，分子运动的速度就越快。分子振动所产生的能量与分子的质量、运动速度的平方有关，因此声音的频率越高，介质中的分子能获得更多的能量。超声波的频率要高出普通声波很多，因此超声波可以让分子获得很大的能量，也就是说，超声波可以提供给物质很大的功率。

（4）超声波的声压特性

超声波射入某物体时,声波的振动作用会使物质分子之间产生压缩和远离的作用，这会使物质所受的压力发生变化。声波振动产生出压力的现象叫声压作用。

2．2  超声波传感器

产生超声波和接收超声波的装置是超声波传感器，习惯上被称为超声波换能器或超声波探头。超声波探头的主要组成是压电芯片，包括发射超声波，也可以接收超声波，低功率超声探头用于检测，它有许多不同的结构，可分为斜探头、直探头、表面波探头，Lamb波探头，双探头[6]。

超声波探头的核心是一块压电晶片的塑料护套或金属护套。构成芯片的材料有很多。由于该芯片的大小，例如具有不相同的直径和厚度，因此，每个探头都有不同的性能，我们使用时需要清楚地理解探头的性能参数。

超声波探头的主要性能指标：

（1）工作频率。压电芯片的共振频率就是超声波传感器的工作频率。当给芯片两端加的电压频率和晶片的共振频率一致时，传感器的灵敏度达到最高。

　　（2）工作温度。因为压电材料的磁性转变点一般是比较高的，尤其是当使用较小功率的超声波接收发射头来诊断，因此工作温度是比较低的，可以无故障工作很长一段时间。医疗超声接收发射头的工作温度相对较高，需要制冷装置控制其温度。来!自~751论-文|网www.751com.cn

　　（3）灵敏度。芯片的机电耦合系数越大灵敏度就越高。

为了研究和利用超声波，它已被设计和制造的多种类型的超声波发生器，总体而言，超声波发生器可以大致分为两类：一类是超声波电气机械方式产生超声波。包括压电，磁致伸缩式和电动式，机械的加尔系统笛，口哨液体和气体流量旋笛[7]。它们所产生的超声波的频率，功率和声学特性不相同，因而使用也不相同。更常见的是压电式超声波发生器。