超聲波技術(shù)及應(yīng)用

1、超聲波原理及應(yīng)用,廣州市番禺奧迪威電子有限公司,目錄,超聲波簡介壓電陶瓷簡介,自然界中的超聲波,,超聲波的類型,縱波橫波表面波板波,表面波,表面波主要是指沿介質(zhì)表面?zhèn)鬟f，而介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)沿橢圓形軌跡振動(dòng)的波。表面波是一種瑞利波。,板波,在板厚與波長相當(dāng)?shù)谋“逯袀鞑サ牟?。根?jù)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向不同可將板波分為SH波和蘭姆波。 SH波：水平偏振的橫波在薄板中傳播的波。薄板中各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向平行于板面而垂直于波的傳播方向，

2、相當(dāng)于固體介質(zhì)表面中的橫波。 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(diǎn)是薄板中心質(zhì)點(diǎn)作縱向振動(dòng)，上下表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)相位相反并對稱于中心。 非對稱型蘭姆波特點(diǎn)是薄板中心質(zhì)點(diǎn)作橫向振動(dòng)，上下表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)、相位相同。,,超聲波的特點(diǎn)（1）,超聲波可以在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播超聲波可以攜帶較多的能量超聲波的傳播具有方向性超聲波在

3、界面上會(huì)產(chǎn)生折射和反射，而且可能會(huì)改變振動(dòng)模式。超聲波在液體中可以產(chǎn)生空化效應(yīng)超聲波具有多普勒效應(yīng),超聲波的特點(diǎn)（2）,容易衰減（在液體和固體中衰減較?。﹤鞑ニ俣仁軠囟扔绊懺趦煞N不同介質(zhì)的界面處反射強(qiáng)烈，在許多場合必須使用耦合劑或匹配材料。超聲波可以聚焦。,超聲波的產(chǎn)生機(jī)制,電磁振動(dòng)磁致伸縮效應(yīng)壓電效應(yīng)靜電引力其它形式的機(jī)械振動(dòng),超聲波效應(yīng),機(jī)械效效應(yīng)：清洗、加工、拋光聲學(xué)效應(yīng)：超聲波探測 熱效應(yīng)：超聲波焊接空化

4、效應(yīng)：乳化、霧化化學(xué)效應(yīng)：例如純的蒸餾水經(jīng)超聲處理后產(chǎn)生過氧化氫；溶有氮?dú)獾乃?jīng)超聲處理后產(chǎn)生亞硝酸；染料的水溶液經(jīng)超聲處理后會(huì)變色或退色。生物效應(yīng)：加快植物種子發(fā)芽,超聲波的相關(guān)術(shù)語,聲場發(fā)射角聲阻抗聲匹配衰減系數(shù),聲場,發(fā)射角,超聲波的傳播具有方向性，發(fā)射角與波長和換能片尺 寸相關(guān)。頻率越高、直徑越大波束 角越小。,聲阻抗,超聲場中任一點(diǎn)的聲壓與該處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度之比稱為聲阻抗，常用Z表示。 Z=p/

5、u=ρcu/u=ρc超聲波在兩種介質(zhì)組成的界面上的反射和透射情況與兩種介質(zhì)的聲阻抗密切相關(guān)。,聲匹配,當(dāng)超聲波透過兩種不同的介質(zhì)傳播時(shí)，由于兩種介質(zhì)的聲阻抗不同，會(huì)在界面處形成反射，從而影響超聲波的傳遞。為了提高超聲波的傳遞效果，實(shí)踐上常用的方法是在兩種介質(zhì)中間增加一個(gè)匹配層。固態(tài)的的匹配材料一般叫匹配層，液態(tài)的一般稱為耦合劑。聲匹配公式：,超聲波的強(qiáng)度（能流密度）,I 能流密度，波的強(qiáng)度，瓦/平方米w 能量密度，單位焦耳/立

6、方米v 速度A 振幅f 頻率,衰減系數(shù),超聲波在介質(zhì)中傳播會(huì)發(fā)生衰減。主要有擴(kuò)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(kuò)散衰減。以平面波為例，其聲壓衰減方程為 聲壓以指數(shù)形式衰減，相應(yīng)的系數(shù)被稱為衰減系數(shù)。,超聲波的應(yīng)用,測量：距離、流速、流量、厚度探測：超聲測距、安防探測、醫(yī)學(xué)成像、無損探測、水下聲納、地質(zhì)勘探、管道檢漏、觸摸屏霧化：加濕、盆景、園藝、消毒、空化：煉油、乳化清洗：

7、珠寶、首飾、精密零件加工：磨削、鉆孔、拋光、焊接美容：按摩、潔齒醫(yī)療：結(jié)石破碎、醫(yī)學(xué)成像、呼吸醫(yī)療馬達(dá)：相機(jī)鏡頭、微位移控制生物：促進(jìn)種子發(fā)芽化學(xué)：加快酒類醇化、加快化學(xué)反應(yīng)速度,超聲波線纜測高儀,,倒車?yán)走_(dá),超聲波霧化器,超聲波霧化器,,塑料點(diǎn)焊機(jī),頻率：28KHZ功率：300W,超聲波焊接機(jī),多頻聲化學(xué)發(fā)生器,,超聲波驅(qū)蟲器,,超聲波圓筒式分散儀,,超聲馬達(dá),,涂層測厚儀,美國DeFelsko公司技術(shù)參數(shù):測量范

8、圍: 25-1000μm分辨率: 2μm 精度: ±(2μm+3%的讀數(shù))測量速率: 45個(gè)讀數(shù)/秒,超聲探傷儀,德國 Krautkramer [ K.K ] 公司,醫(yī)學(xué)超聲成像,線陣聲納,德國基元數(shù):3X96, 基陣長：48米,小結(jié),超聲波最大的特點(diǎn)就是可以以振動(dòng)的方式傳遞能量而不影響人類的聽覺。超聲波的利用主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，一是微幅高頻振動(dòng)的利用，二是能量傳遞效果的利用，三是超聲信號的利用。具體地說，就是

9、超聲馬達(dá)、超聲換能和超聲傳感。目前的大部分超聲波應(yīng)用都可以歸結(jié)到這三個(gè)類別里面。,壓電陶瓷,壓電材料壓電發(fā)展歷史壓電材料簡介常見的壓電材料壓電材料的性能參數(shù)壓電材料應(yīng)用,自然界中的壓電材料——石英,壓電陶瓷,高分子壓電材料（壓電薄膜）,壓電陶瓷歷史,1880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(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)了正壓電效應(yīng)這一物理現(xiàn)象，他們所 報(bào)導(dǎo)的這些晶體中就有后來廣為研究的羅息鹽(NaKC4H

10、4O6.4H2O—酒石酸鉀鈉) 。1881年 李普曼(G. Lippman)根據(jù)能量守恒和電荷量守恒的 原理，推測逆壓電效應(yīng)(Converse piezoelectric effect) 的存在，這一預(yù)言很快就被居里兄弟用實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。后來 發(fā)現(xiàn)了磷酸二氫鉀、硫酸鋰單水化合物和BaTiO3等重要壓電晶體。,1916年 朗之萬(Langevin)用壓電石英晶體作成水下發(fā)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。191

11、8 年 卡迪（Cady）研究了羅息鹽晶體在機(jī)械諧振頻率特有的電性能，導(dǎo)致羅息鹽電聲組件問世。1921年 相繼研制成功石英諧振器和濾波器，開創(chuàng) 了壓電效應(yīng)在穩(wěn)頻、計(jì)時(shí)和電子技術(shù)方面 的應(yīng)用。,壓電陶瓷歷史,1947年  采用BaTiO3壓電陶瓷制成了拾音器，這對壓電材料的應(yīng)用具有重大意義，極大地刺激了 壓電陶瓷材料的研究與應(yīng)用開發(fā)。 1969年  發(fā)現(xiàn)聚偏氟乙烯薄膜制程的駐極體具有優(yōu)良的壓電性后

12、，聚合物駐極體的研究和應(yīng)用迅速發(fā)展起來。,壓電陶瓷歷史,常見的壓電陶瓷材料,1、鈦酸鋇（BaTiO3）壓電陶瓷具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，機(jī)械強(qiáng)度不如石英。2、鋯鈦酸鉛Pb（Zr·Ti）O3系壓電陶瓷（PZT）壓電系數(shù)較高，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)隨溫度、時(shí)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。3、鈮鎂酸鉛Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3壓電陶瓷（PMN）具有較高的

13、壓電系數(shù)，在壓力大至700kg/cm2仍能繼續(xù)工作，可作為高溫下的力傳感器。,壓電原理,石英的晶體結(jié)構(gòu),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(b),(a),+,+,-,-,-,,,,Y,X,X,,Y,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,+,石英的壓電機(jī)制,,壓電陶瓷的極化,直流電場E,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,剩余極化強(qiáng)度,剩

14、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,壓電效應(yīng),壓電效應(yīng),逆壓電效應(yīng),壓電陶瓷等效模擬電路,并聯(lián)模擬電路 串聯(lián)模擬電路,壓電應(yīng)變常數(shù)d33: 表示在壓電晶體上施加單位電壓時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)變大小。 壓電電壓常數(shù)g33： 表示作用在壓電晶體上單位應(yīng)力所產(chǎn)生的電壓梯度大小。,,,,,壓電材料的主要性能參數(shù),壓電材料

15、的主要性能參數(shù),介電常數(shù)ε: 機(jī)電耦合系數(shù)K: 表示壓電材料機(jī)械能(聲能)與電能之間的轉(zhuǎn)換效率。機(jī)械品質(zhì)因子Qm : 壓電晶片在諧振時(shí)貯存的機(jī)械能E貯與在一個(gè)周期內(nèi)損耗的能量E損之比稱為機(jī)械品質(zhì)因子Qm。,,,,,頻率常數(shù)Nt: 壓電晶片的厚度與固有頻率的乘積是一個(gè)常數(shù)，這個(gè)常數(shù)叫做頻率常數(shù)。居里溫度Tc： 使壓電材料的壓電效應(yīng)消失的溫度。,,,,,壓電材料的主要性能參

16、數(shù),壓電材料的主要特性,轉(zhuǎn)換性能：要求具有較大的壓電常數(shù)。機(jī)械性能：機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大。電性能：高電阻率和大介電常數(shù)。環(huán)境適應(yīng)性：溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍。時(shí)間穩(wěn)定性：要求壓電性能不隨時(shí)間變化。,壓電材料應(yīng)用,壓電陶瓷按照應(yīng)用分類共分為七大類： 壓電振蕩器及材料壓電聲電組件：蜂鳴器、送話器、受話器、壓電喇叭 壓電超音波換能器：超音波清洗、超音波霧化、超音波美容、超音波探測信息處理

17、組件：濾波器、諧振器、檢波器、監(jiān)頻器、表面聲波、延遲線 動(dòng)力裝置：點(diǎn)火器、超音波切割、超音波粘接、壓電馬達(dá)、壓電變壓器壓電傳感器：速度、加速度計(jì)、角速度計(jì)、微位移器光電組件：光調(diào)節(jié)器、光調(diào)節(jié)閥、光電顯示、光信息儲(chǔ)存、影象儲(chǔ)存和顯示 目前市場容量最大的組件是頻率組件，主要包括濾波器和諧振器。,奧迪威公司壓電蜂鳴片,電聲元件,開放式超聲波傳感器,超聲波霧化片,奧迪威其它壓電產(chǎn)品,超聲波馬達(dá),,C-171微型旋轉(zhuǎn)陶瓷電機(jī),,超聲波壓電