超声波物理专题实验论文

超声波原理及其应用专题实验论文摘要：通过3个系统实验的系统性梳理以阐明超声波的基本工作原理和应用的基本原理，并对其简单应用进行深入研讨。关键词：超声波原理应用背景：超声波是指人耳听不见的声波。正常人的听觉可以听到20赫兹（Hz）至20千赫兹（kHz）的声波，低于20赫兹的声波称为次声波或亚声波，超过20千赫兹的声波称为超声波。超声波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，通常以纵波的方式在弹性介质内传播，是一种能量和动量的传播形式，其不同点是超声频率高，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。在1830年，F·Savart曾用齿轮，第一次产生超声波，1876年F·Galton用气哨产生310Hz的超声。当时的科学家郎之万和他的朋友利用当时已出现的功率很大的放大器和石英压电晶体结合起来，能向水下发射几十千赫兹的超声波，成功的将超声波应用到实际中。现在，超声波测试把超声波作为一种信息载体，它已在海洋探测与开发、无损检测、医学诊断等领域发挥着不可取代的独特作用。论述：超声波波型及换能器种类通常有如下三种：纵波波型：由直探头产生，当介质中质点振动方向与超声波的传播方向一致时，此超声波为纵波波型。任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。横波波型：由斜探头产生，当介质中质点的振动方向与超声波垂直时，此种超声波为横波波型。由于固体介质除了能承受体积变形外，还能够承受切变变形。当其中剪切力交替作用于固体介质时均能产生横波。横波只能在固体介质中传播。表面波波型：由倾斜角度较大的斜探头产生，是沿着固体表面传播的具有纵波和横波的双重性质的波。常用的超声波探头有直探头和斜探头两种。探头通过保护膜或斜楔向外发射超声波；吸收背衬的作用是吸收晶片向背面发射的声波，以减少杂波；匹配电感的作用是调整脉冲波的波形。一般，直探头产生纵波，斜探头产生横波或表面波。另一种可变角探头，其中探头芯可以旋转，通过改变探头的入射角α，得到不同折射角的斜探头。当α=0时成为直探头。注意事项：开始实验前应先调整好超声波实验仪与示波器，进行多次的转换时产生的超声波频率适合，产生的图形清晰易于观察。应注意读取时间间隔时应左右移动相应探头，按要求使其振幅达到要求的最大或最大振幅的一半在进行读数，必要时调整示波器让现象更明显。应多次测量取其平均值，减小误差。数据处理代入公式时应注意单位之间的转换。实验中涉及的部分重要公式：212ttt（延迟时间）012ttLCl（纵波波速）1212)(2ttRRCs（横波波速）)(1HLLLtgABs120LRL（前沿距离）)(sin11LCC（第一倾斜角）)(sin12sCC（第二倾斜角）ssLLCCCsinsinsinHxxtg22121（扩散角）20ttCHlc)(1HLLLtgABs拓展：（超声波的实际应用及原理)拓展一：超声波清洗由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡，从而传播到介质---清洗溶剂中，超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的直径为50-500μm的微小气泡，存在于液体中的微小气泡在声场的作用下振动。当声压达到一定值时,气泡迅速增大,然后突然闭合。并在气泡闭合时产生冲击波,在其周围产生非常大的气压,破坏不溶性污物而使他们分散于清洗液中,当团体粒子被油污裹着而黏附在清洗件表面是,油污等被乳化,固体粒子的脱离,从而达到清洗件净化的目的。同时，起泡的不断爆炸也带动污物不断脱离。拓展二：超声波碎石超声碎石是利用电能转变成声波，声波在超声转换器内产生机械振动能，通过超声电极传递到超声探杆上，使其顶端发生纵向振动，当与坚硬的结石接触时产生碎石效应，但对柔软的组织并不造成损伤。超声波传递进结石，在结石的表面产生反射波，结石表面会受压而破裂；当超声波完全穿过结石时，在界面被再次反射，这一反射产生张力波，当张力波的强度大于结石的扩张强度时，结石破裂。超声探杆为中空探杆,口径很粗，灌洗液和结石屑可通过中空的探杆吸出，因此视野清晰，不易残留结石屑，但要求输尿管镜很粗。超声碎石所用的频率为23kHz～27kHz，探杆尖端的振幅为30μm～100μm。拓展三：B超超生探测超声在人体内传播，由于人体各种组织有声学的特性差异，超声波在两种不同组织界面处产生反射、折射、散射、绕射、衰减以及声源与接收器相对运动产生多普勒频移等物理特性。应用不同类型的超声诊断仪，采用各种扫查方法，接收这些反射、散射信号，显示各种组织及其病变的形态，结合病理学、临床医学，观察、分析、总结不同的反射规律，而对病变部位、性质和功能障碍程度作出诊断。用于诊断时，超声波只作为信息的载体。把超声波射入人体通过它与人体组织之间的相互作用获取有关生理与病理的信息。一般使用几十mW/cm2以下的低强度超声波。当前超声诊断技术主要用于体内液性、实质性病变的诊断，而对于骨、气体遮盖下的病变不能探及，因此在临床使用中受到一定的限制。用于治疗时，超声波则作为一种能量形式，对人体组织产生结构或功能的以及其它生物效应，以达到某种治疗目的。一般使用几百-几千mW/cm2-以上高强度超声波。拓展四：超声波测距通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。这与雷达测距原理相似。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，途中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340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2）结语：超声波的产生及应用专题实验是一个由浅入深的实验，实验的要求也在慢慢提高，最后一次的实验综合了前两次的实验，操作精细度高，难度大，实验数据多，结合了原来两次的试验方法。前两次实验要打好基础，最后一次实验才能很好的完成。实验要提前预习好，实验报告要好好的准备，才能有个好的实验结果。参考文献：【1】大学物理实验北京交通大学出版社，2010【2】范百刚.超声原理与应用[M].南京:江苏科学技术出版社,1984【3】胡萍超声波测距仪的研制计算机与现代化，2003.10..