第
卷
第
期
广
西
物
理
,
声波的声超纳理原 空和 效化
张应臻艳河北大 学
物理摘
系
定保
。
要
阐
述超 声 波 的 产生 要主 特性 声 超波 的声 纳理 原和空 化 效 应
、
、
健关词
超 波
声
声纳
空 化用作
超
声波是频 在率
以上 人耳的感觉不 到的声波 ,
。
。
目
超 前 波声 在工 业 业 农 科技和
、
,
、医学 等 极 相 不同的 领 域 获中得 了 广 应 用泛
超声
波 的生产超
声 波 发生 器 分为 机 械型 机 和型 两电 大类,
。
机
械 型 声超波 生发器 超 声波最 初 是 机用械 方 法 获 得 比的如 音 叉哨笛 旋 笛 等 果 如 超说声 音叉 经已过 的话 时那么 笛 旋笛 现哨在 还在 懂
,
、
、、
。
用 图
。
为一 种 典型 的液态 声超 哨横 剖面的图 液体 在
,流,
。
,
大 压 力 下以很 的 大 速度 从 窄 的狭椭圆 里嘴 喷射出来 并 冲击 着 哨内腔 的 金 属 的片尖 形 边缘 之使 激 发 高出 频的 声 来音这 种 超 声 源 结 构简单 稳 使 定用 寿 命长但 率
功
,
,。
、
比
小较另 一 种 机械 源
声率
,图
广—泛 应 用 在替 车 消 和防上
, ,车
。
旋
笛 有具 对 相较比大的 功,
。
图
。为超 声 旋
横 剖笛面
。
其 理 和原 普 通旋 的笛 是相 同
。
的
笛 的转 子 上 安 装
,
旋一
图
。
,
象黛
支柱
超参声哨 横 面 剖
,图
一着个 圆盘 边盘上 钻 许着 多小孔 和 转 相 子对的定 子 上有 着 样同数 目 的 小孔 当转 子和 定子的 小 孔 彼 此吻 合 时
进人旋 腔笛 的高 压 气 流 会立 刻 从 笛 中喷射 孔来出
。。
不难
解理 子转动转时 喷射 出 来的气空
的
压脉力冲频 率 即 音声 频 率等 于 子转或 定子 孔的 与数转子 转 的速 乘
积笛 的旋率功比 哨 笛大 得 多但使 用 不方便
,,
因
为 要有 专 门 的压 缩 机 往 进 气 孔 内压 缩 空
气
。,
而要且有 功率 大 发的动 机 转 转动子 转子 圆盘的 要经 住受 大 的负 载特 的 材 料 种制 成世 本纪初
机电 型 发 生 的 出器现 才 使 超 波声 获得了 广 泛 应 用的,
。
机
电型 超 声波发 生 器机 电 超型 声波 发生 里 利 器用三 物种理 现 象 磁 致 缩伸压 电效应 电 致伸
缩
、
。
、磁致 伸 缩是 在指 磁 的场作 用 下某些 物 质 例 如 铁 钻镍 及 其 合 金 能 改 自 变
己,、
、、
、
形的状 和大 小 的 现 象 压 效电应 指是 有些 结 构 上 不对 称 晶 体 例的 如石 酒英 石 酸钾 钠电 气 石
等受在 外到 压界力 时 晶 体 两的 表个面 分 别 现出 正 负 电荷的 现象 反 过 当来压 电 晶
体 两 的个,
表,面 受 到电 场作 用 时 它 将 沿一 个方 向 膨 胀而 沿 另 方 一向 收 缩即 电致 伸 缩 现 象图
, ,
,
。
利用
是电 致伸缩 产生 超 声波 的 示 图
意
。
第
期
声超 的 波声 原 纳理 空化 和 应
效超声波 的特性
声波和其他波 动一超样 以 可 固体 在液
,体,
、、
气体 中 播传并 且和 声 具 有波相 的 同速度 在 两 媒种质 的 交 界面 上可 发 生以射和 反折射两列 超 波声
相
遇 , 时 可 发以生 干涉现象
,
。
除 之 此 超外声 波还 有其
, ,
他特性
,。
声 波超频高率 长短波 所以 和 光一波 样,
,
、
图
猛 可 以集 中一向 个 方传向播 并 用适当 的 方 法 使 它
聚会或 发 散 另 外 于 由 波的 强度和 频 的率 平方 成正 比 所 以 在
同 样振 的 条幅件 下 超 声 波 的 强 度 比声 波
,
,
大得
多
超。 旋 声横笛剖 面 图
超 声 在 波媒 中质传播 时 由 于 部 分 能 被
,
量
媒 质吸 变 为 收热强 度 随 波 程逐 渐 减 如果弱超声 波
。,
频 率 不
太 高 时 媒 对 质超 声 波的 吸系数收和频 率 的 ,
压 晶体电
平成正方 比和 度速的 三次 成反方 比 声波在液和体,
。
高频 电 发生器
固体 中 的 声 速 比在 气 体中 的声 速
,
大
。、
所以 超声 波在
。气体 传中 播 比在 液 体固 体 中传播 能 量衰 快减 因,
此
声波超的 许 多技 术 应 用 都是 在液 体或 体固中 进行
。
。
图
超声
发 波 器生示图
意超
波 的声压 幅声大
很,
一个度强
一
为的
超 波 在声 水 产 中生的 声 压 幅 达 到
个
大 气 压 压缩 区 和稀 疏 之区间 的压 强差 超
过
,个 大
气压 而它 相 们只 隔有 半 个波长 ,
。‘
。
超
声 从一波种媒 进人质 一种另媒质 时 交 在界 上 发面生 反 射 折射
‘
和反射波
的强度
二
、一‘
一二 , 二一 二 的 与 入 射 波 强 度… 之比声 强 反 系射 数户由 式下决 定 夕 子 一攀二 号分 别 表 代“刀 尸 , ’ 一 一 囚 十一 一一 一人 射 媒 和质 反射媒 质 的声 阻 抗 率 据根 这一 公式 当超 声 波由空 气到 水 面 达或水 中进 人 空 气
,。
。
。
止
二
,
,
, ‘
”礴碑
一“
、
声
、
’
’
、
‘
“
‘
“
‘
了
甲
’
“
。
,
时,
以上 的能量 都反被
,
。
射在
媒 质阻抗 率 差值 不 太大 时 即使 反 射强的度 有 只 来 原强 度
,
,。
的万 分 之一 但 由于 人 射 超 声 波 的 强 度一 般 高很 反射 波 仍 然可以 测 量 出 来
声 超 波 还有其他 一些 特 性 因 得此 到了越 来越 广泛 的 应用
,
。
超 声
波 声的纳 原 理 和 空
化 效应
声 原理 纳 声纳的 作原理是 回工 声探 测法 声超 发波生 器 送 短发的声 脉 然 冲后接 收,
。
反
射 脉 冲 根 据 接 收 射反 冲 脉 滞 的后 时间 便 可 声知源 脉与 反冲射 物 体的 距离
,, ,
利 用。超 声 波的 声 纳原理 在战 争 期时可 能 索搜海 底 敌舰 在 和 平 时 期可以 究 研海 底起 伏 的地势 在 洋 资源海 开 发 面方 以 探 测可 鱼群 现 代孟的声 纳可 以 探 测深到海 中的个 别 鱼 甚至 断
,
能定
其 所属 鱼 种 并 能且够 立 刻 在 视电接 收 机屏 幕 上 示 海 显底 广 大区 域 的 状 况
,
。工在业 业 农
和、
医 等 领学 域中 利 超 用 波声的声 纳 原 可理以 发 现 非 明 透固体中 异的 物例如 金 属 铸件中 的
裂
,
,
纹 的猪肥 厚 膘 度 或体是人否 肿瘤有
,
、
。
当 基本 材料 和 缺陷对 。
射线收大吸 一致样 的时候
,
二
射线
无 为能力 了而 超 声 波 显 示 它 的 出作用
在 医诊 学 断已中经 普 采 遍 用的超声 描扫仪其 基本 原 理就是 利 用 超声波 在 体 人遇内 到
密,
广
,西
,
物
理
,
,
第
卷
度不 同组 织 的 界面 时 部分 能 量被 反 射 来 形 回成 回波根 据 回 波 现 的出时 间 隔 就 可间以 知 道
不同组 织间 的 离距 全息影摄
。。
一 的般 超声 扫 描 仪 得 到 是 的 体物的 平面 图 要 想得到 立 体 图象 只能 借 助,
, ,,。
随
着激 光器 的出现 超声 全 息图 得 以 实 现 将成 为工 程 最 上 好一 种 检 测的手段
,
空
化 效 由应 于超 声 的 波一个 特 点 是 声 压 很 大幅 此 当因超 声波 通 过液体 媒质 特
,时
别 是当液 体 中含 有杂 质 溶 或解气 的 体时候 液 体 超 声 的 稀疏 区 会 被 拉 断 出 而现微 小的孔 即
腔 ,
,在
液 中体生 成充 满 气 的体 气 泡这 种现 象叫 做空 化效 应 ,
这。效应 一几乎 应在 用 强度高声 超的,
所
场有合都起 着相当大 的 作 用
。
。
空 , 化作用 产 生 的气 泡 寿命 很 因 短 刚为 生 成刚 的 孔腔 立就刻
,, ,
,受
到来 自相 压 缩 区邻的 压 力 腔 内孔的 空 气或 蒸 汽 从 孔也腔 内 加 压部 于力孔 腔 壁 最 后 造 成 孔 腔 破 现 裂 象 在破 裂时 泡 气内 空 气或蒸 汽的 压 力可 以 超 过 大 压气 力的 几 倍千形 成 烈强的 ,
,
冲, 击 现波在 已经 了 解 孔到 腔经 常在液 中体 小细的 杂 质周 围 成 形因此 只 要 液往体 中 加添 不,
,
。
受, 湿潮 小微粒的或 者使液 体 受到射性照射 放就人能为造地这种空 化成 心中
,
,
“
,
”使化空用作
易 于产生 空 化 作 用 形 成强烈 的 冲 击波并 随伴 出现 部 的 局 度 温升 和高 带现 象 电 在 适 的合
,条, ,
。
件 也下可 以在 媒 中质起 化引 学反
应,,
。
利用 超 声波 的 空 化作 用 形而 的成 击冲 波 以 清洗可一 些 物 体 面 表 油的 和垢 物 脏在现 代 的,
。
超 清 声洗 机 中污染 物 体 的 放在充 满 应 溶相 的槽 中剂再 用 有具 保证 最 大 度限空 化 超 声的 波
,照
射
。
由 于
波声 成 空 形化的 能 力 随 频 率 的 增加 而降 所 以低超 声 波 洗 机清 工 作 频 的 率约 为,
千
,或更低一
些
,
。
电
子 业 工广中泛 使 用 铝 焊 时 首 先用 超 声 波清 理铝 品 制上 的氧 化 铝 通 过 镀锡槽 超 声 波 造,
,
成
化空使 氧化膜 从 铝件 面表脱 落 后 然 用 声超 波接焊方 法是 将 两块金 属 表面 相 互 重 叠 并且
,
。,
轻地 压 轻紧在 超 声 波 作 下 一用 块金 属 面沿 着另 一 金属 面滑 动 使 两金块属 面 牢 固 地结 合 在
, , ,
一 起 对
超 声 焊接 的 解释 如下 先 振 动首 除清了 材 表料 面脏的 物和氧 化 膜而因增 了大接 触面
,, ,
。,
。
其次 由于 空 化 作 用产生 局 部高温 及以 超声 振动造 成 某些 收缩 稀和疏 作 用 在 两 金 属块 的界
面上 生 可成塑
流。
超声 波
在化 学 中 应 用的越 来越多 在 镀镍 工 艺中 超 声 波的 化空作 用 可 清以 除被 镀 金 表属
,
。
面的气 泡和脏物
。
声超 使波分 水 子分解为氢 和游经离基
超。 波声 在医 学 上 应用 也 来越 越多 超 声波 用于 透 热 治疗 是 由于 声 波 超的 化空 作 用 局 使部,
—
即 声解 也 是由 空 气 作 于
,
。
用
度升温高利用 超声 波 可 以 使 药 液雾化 药 容使 易吸人 被肺 到 内 超声 泡还波 用于 击 结石碎
破
,。
,
坏细
胞织 清洗组医 疗 器 械等
。
参,赵
景编
考
员
文
力学献
北
京 人 民 教 出版社育
,
同
济 大学 声学 研 究 室
编 万 学 等郭
编声超诊 学断
超声
业工 测量 术 技北京 科学 出版 社
,
上海 人民 版出
,社
第
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第
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声波的声超纳理原 空和 效化
张应臻艳河北大 学
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述超 声 波 的 产生 要主 特性 声 超波 的声 纳理 原和空 化 效 应
、
、
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声纳
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以上 人耳的感觉不 到的声波 ,
。
。
目
超 前 波声 在工 业 业 农 科技和
、
,
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超声
波 的生产超
声 波 发生 器 分为 机 械型 机 和型 两电 大类,
。
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械 型 声超波 生发器 超 声波最 初 是 机用械 方 法 获 得 比的如 音 叉哨笛 旋 笛 等 果 如 超说声 音叉 经已过 的话 时那么 笛 旋笛 现哨在 还在 懂
,
、
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,流,
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,。
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小较另 一 种 机械 源
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,
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。。
不难
解理 子转动转时 喷射 出 来的气空
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积笛 的旋率功比 哨 笛大 得 多但使 用 不方便
,,
因
为 要有 专 门 的压 缩 机 往 进 气 孔 内压 缩 空
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而要且有 功率 大 发的动 机 转 转动子 转子 圆盘的 要经 住受 大 的负 载特 的 材 料 种制 成世 本纪初
机电 型 发 生 的 出器现 才 使 超 波声 获得了 广 泛 应 用的,
。
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电型 超 声波发 生 器机 电 超型 声波 发生 里 利 器用三 物种理 现 象 磁 致 缩伸压 电效应 电 致伸
缩
、
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、磁致 伸 缩是 在指 磁 的场作 用 下某些 物 质 例 如 铁 钻镍 及 其 合 金 能 改 自 变
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、
形的状 和大 小 的 现 象 压 效电应 指是 有些 结 构 上 不对 称 晶 体 例的 如石 酒英 石 酸钾 钠电 气 石
等受在 外到 压界力 时 晶 体 两的 表个面 分 别 现出 正 负 电荷的 现象 反 过 当来压 电 晶
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表,面 受 到电 场作 用 时 它 将 沿一 个方 向 膨 胀而 沿 另 方 一向 收 缩即 电致 伸 缩 现 象图
, ,
,
。
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第
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声超 的 波声 原 纳理 空化 和 应
效超声波 的特性
声波和其他波 动一超样 以 可 固体 在液
,体,
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气体 中 播传并 且和 声 具 有波相 的 同速度 在 两 媒种质 的 交 界面 上可 发 生以射和 反折射两列 超 波声
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,
。
除 之 此 超外声 波还 有其
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,。
声 波超频高率 长短波 所以 和 光一波 样,
,
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同 样振 的 条幅件 下 超 声 波 的 强 度 比声 波
,
,
大得
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媒 质吸 变 为 收热强 度 随 波 程逐 渐 减 如果弱超声 波
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太 高 时 媒 对 质超 声 波的 吸系数收和频 率 的 ,
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平成正方 比和 度速的 三次 成反方 比 声波在液和体,
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所以 超声 波在
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,。
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声 超 波 还有其他 一些 特 性 因 得此 到了越 来越 广泛 的 应用
,
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超 声
波 声的纳 原 理 和 空
化 效应
声 原理 纳 声纳的 作原理是 回工 声探 测法 声超 发波生 器 送 短发的声 脉 然 冲后接 收,
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反
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,
能定
其 所属 鱼 种 并 能且够 立 刻 在 视电接 收 机屏 幕 上 示 海 显底 广 大区 域 的 状 况
,
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和、
医 等 领学 域中 利 超 用 波声的声 纳 原 可理以 发 现 非 明 透固体中 异的 物例如 金 属 铸件中 的
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,
,
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、
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,
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无 为能力 了而 超 声 波 显 示 它 的 出作用
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密,
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,
第
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, ,,。
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,
空
化 效 由应 于超 声 的 波一个 特 点 是 声 压 很 大幅 此 当因超 声波 通 过液体 媒质 特
,时
别 是当液 体 中含 有杂 质 溶 或解气 的 体时候 液 体 超 声 的 稀疏 区 会 被 拉 断 出 而现微 小的孔 即
腔 ,
,在
液 中体生 成充 满 气 的体 气 泡这 种现 象叫 做空 化效 应 ,
这。效应 一几乎 应在 用 强度高声 超的,
所
场有合都起 着相当大 的 作 用
。
。
空 , 化作用 产 生 的气 泡 寿命 很 因 短 刚为 生 成刚 的 孔腔 立就刻
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,
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,
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,
,
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利用 超 声波 的 空 化作 用 形而 的成 击冲 波 以 清洗可一 些 物 体 面 表 油的 和垢 物 脏在现 代 的,
。
超 清 声洗 机 中污染 物 体 的 放在充 满 应 溶相 的槽 中剂再 用 有具 保证 最 大 度限空 化 超 声的 波
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。
由 于
波声 成 空 形化的 能 力 随 频 率 的 增加 而降 所 以低超 声 波 洗 机清 工 作 频 的 率约 为,
千
,或更低一
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,
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子 业 工广中泛 使 用 铝 焊 时 首 先用 超 声 波清 理铝 品 制上 的氧 化 铝 通 过 镀锡槽 超 声 波 造,
,
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化空使 氧化膜 从 铝件 面表脱 落 后 然 用 声超 波接焊方 法是 将 两块金 属 表面 相 互 重 叠 并且
,
。,
轻地 压 轻紧在 超 声 波 作 下 一用 块金 属 面沿 着另 一 金属 面滑 动 使 两金块属 面 牢 固 地结 合 在
, , ,
一 起 对
超 声 焊接 的 解释 如下 先 振 动首 除清了 材 表料 面脏的 物和氧 化 膜而因增 了大接 触面
,, ,
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其次 由于 空 化 作 用产生 局 部高温 及以 超声 振动造 成 某些 收缩 稀和疏 作 用 在 两 金 属块 的界
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流。
超声 波
在化 学 中 应 用的越 来越多 在 镀镍 工 艺中 超 声 波的 化空作 用 可 清以 除被 镀 金 表属
,
。
面的气 泡和脏物
。
声超 使波分 水 子分解为氢 和游经离基
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—
即 声解 也 是由 空 气 作 于
,
。
用
度升温高利用 超声 波 可 以 使 药 液雾化 药 容使 易吸人 被肺 到 内 超声 泡还波 用于 击 结石碎
破
,。
,
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参,赵
景编
考
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文
力学献
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,
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