超声波原理及物理特性

声音是怎样形成的，超声波就是怎样形成的。通常我们所听到的声音，特别是噪声，实际上包含了很宽的频带，既有次声、普通声音，也有超声，只不过人耳只能听到普通声音而已。人听到的声音频率是20～20000Hz的声波信号，频率低于20Hz的声波叫做“次声波”，频率高于20000Hz的声波叫做“超声波”。

一、超声波的性质和作用

声波的传递依照正弦曲线纵向传播，有强的声波信号和弱的声波信号(即波峰和波谷)，依次传递。当弱的声波信号作用到液体时，会对液体产生一定的负压，使液体内形成许许多多微小的气泡;而当强的声波信号作用到液体时，则会对液体产生一定的正压，因而，液体中形成的微小气泡被压碎。研究表明：超音波作用于液体时，液体中每个气泡的破裂会产生力量极大的冲击波，瞬间强度高达上千个的大气压，这种现象被称为“空化效应”。

由于机械波的很多性质都和频率密切相关，比如透射率、衰减系数、辐射本领等等，所以人们经常使用处于超声波段的声波来达到某些用途(次声波也是如此)。这时人们可以用特殊的仪器产生窄频带的超声波，以提高利用率。具体的做法一般就是让声源以高于20000Hz的频率振动，辐射出去的自然就是超声波了。

由于高于20000Hz的声源用机械方法很难产生，所以通常都是用振荡电路产生的电信号激励声源振动。从本质上讲，超声波和电并没有必然的联系，只要能产生20000Hz以上的声源，不管用什么方法，都能产生超声波。

二、超声波的作用原理

超声波在传播过程中与媒介相互作用，相位和振幅发生变化，使媒质的一些物理、化学和生物特性或状态发生改变，或者使这种改变的过程加快，从而产生一系列效应，如力学、热学、化学和生物效应等。这些效应可归结为以下三种基本作用：

㈠热作用

超声波在媒质中传播时，大振幅声波会形成锯齿形波面的周期性激波，在波面处造成很大的压强梯度。振动能量不断被媒质吸收转化为热量而使媒质温度升高，吸收的能量可升高媒质的整体温度和边界外的局部温度等。

㈡机械作用

超声波是机械能量的传递形式，与波动过程有关，会产生线性的交变振动作用，原点位移、振动速度、加速度以及声压参数可以表现超声效应。超声波在液体中传播时，其间质点位移振幅虽然很小，但超声引起的质点加速度却非常大。当20kHz、1W/m2的超声波在水中传播时，其产生的超声波压力在-173kPa～173kPa，最大质点加速度达14.4km/s2。因此，超声波作用于液体时会产生激烈而快速变化的机械运动。

㈢空化作用

超声波声化学效应的主要作用之一是声空化。声空化是指液体中的微小泡核(空化泡)在超声波作用下被激活产生振动，当声压达到一定值时发生振荡、生长、收缩乃至崩溃的一系列动力学过程。空化气泡在超声的作用下经历超声的稀疏相和压缩相时，气泡经多次周期振荡最终以高速崩裂。由于空化气泡寿命极短(约0.1μs)，可产生高速(110m/s)微射流，碰撞密度高达1.5kg/m2，产生高电流，并伴有强烈的冲击波。空化使气相反应温度达5000K左右，液相反应温度达1900K左右，局部压力50MPa，温度变化率高达1.0×109K/s。这样可使媒质在空化气泡内发生化学键破裂、水相燃烧或热分解，并可促进均相界面的扰动和相界面的更新，从而加速界面间的传质和传热过程。

三、超声波的物理特性

㈠超声场特性

超声波在介质内传播的过程中，明显受到超声振动影响的区域称超声场。

超声场具有以下特点：如果超声换能器的直径明显大于超声波波长，则所发射的超声波能量集中成束状向前传播，这现象称为超声波的束射性(或称指向性)。

换能器近侧的超声波束宽度与声源直径相近似，平行而不扩散，近似平面波，该区域称近场区。近场区内声强分布不均匀。近场区以外的声波以某一角度扩散称远场区。该区声波近似球面向外扩散，声强分布均匀，但逐渐减弱，换能器的频率愈高，直径愈大，则超声束的指向性越好、其能量越集中。近场距离，远场扩散角与换能直径及频率的关系如公式所示：

L0=r2f/Csinθ=1.22λ/D

式中L0为近场距离，r为换能器半径，f为频率，C为声速、θ为半扩散角、D为换能器直径，λ为超声波波长。

㈡超声波的反射与散射

1、声阻抗：介质的密度与超声在介质中传播速度的乘积称声阻抗。声阻抗值一般为固体大于液体大于气体。

超声波在密度均匀的介质中传播，不产生反射和散射。当通过声阻抗不同的介质时，在两种介质的交界面上产生反射与折射或散射与绕射。

2、反射、折射与透射：凡超声束所遇界面的直径大于超声波波长时，产生反射与折射。

成角入射时，反射角等于入射角，反射声束与入射声束方向相反。垂直入射时，产生垂直反射与透射。

反射声强取决于两介质的声阻差异及入射角的大小。垂直入射时，反射声强最大。反射声能愈强则折射或透射声能愈弱。进入第二介质的超声继续往前传播，遇不同声阻抗的介质时，再产生反射，依次类推，被检测的物体密度越不均匀，界面越多，则产生的反射也愈多。

3、散射与绕射：超声波在传播时，遇到与超声波波长近似或小于波长(小界面)的介质时，产生散射与绕射。散射为小介质向四周发散超声，又成为新的声源绕射是超声绕过障碍物的边缘，继续向前传播。散射回声强度与超声波入射角无关。

㈢超声衰减

超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，声强逐渐减弱，这种现象称为超声波的衰减。引起衰竭的主要原因是介质对超声波的吸收(粘滞吸收及热传导吸收)。超声波频率愈高，介质的吸收愈多;其次为能量的分散如反射、折射、散射等。使原传播方向上的能量逐渐减弱。

㈣多普勒效应

声源和接收体作相对运动时，接收体在单位时间内收到的振动次数(频率)，除声源发出者外，还由于接收体向前运动而多接收到(距离/波长个)振动，即收到的频率增加了。相反，声源和接收体作背离运动时，接收体收到的频率就减少，这种频率增加和减少的现象称为多普勒效应。