超声的产生与接收.ppt

1-3 超声的产生与接收,一、概述,二、可逆超声换能器,三、非可逆的一些产生方法,四、非可逆的一些接收方法,1产生超声的常用方法,一、概述,(1)直观的机械方法手摇齿轮法,(2)不太直观的机械方法各种流体哨,(3)电声型换能器主要有压电型换能器和磁致伸缩型换能器两种,(4)激光激发超声,2接收超声的常用方法,(1)早期人们曾利用火焰对声波的敏感性原理检测超声。非常不可靠。,(2)机械方法。在传播管内或棒面上观察粉末驻波图。不可靠。,(3)现在多利用压电换能器(利用压电材料的压电效应设计制作的换能器)。,(4)其它方法。热学法、光学法等。,1-3 超声的产生与接收,3术语,换能,超声换能器,发射型超声换能器,接收型超声换能器,将一种形式的能量(声、光、热、电等之一)转换成立一种形式的能量。,发射或接收超声的器件。,用于产生超声的换能器。,用于接收超声的换能器。,可逆型超声换能器,严格地讲，“可逆性”要求在任一方向的转换效率是相等的。但由于各种条件的限制，实际应用中可逆型超声换能器仅仅是近似满足这一要求。,即可用于发射超声，又可不加改变地用于接收超声的换能器。,压电型超声换能器是目前最常用的可逆型超声换能器，它在超声的发射和接收中占有极其独特的位置。,1-3 超声的产生与接收,二、可逆超声换能器,1压电换能器,压电效应,当沿某些材料(如结构上无对称中心的单晶、极化陶瓷、极化高分子薄膜等)一定的方向受压力作用，或作长度变化时，会在其表面产生数量上成比例的束缚电荷。压电效应是接收型换能器的基础。,逆压电效应,当加在上述材料两端的电压(即电荷)发生变化时，其长度会发生相应变化。逆压电效应是发射型换能器的基础。,严格讲，这是纵向磁致伸缩效应，还有一种体积磁致伸缩效应。纵向磁致伸缩效应是发射型换能器的基础。,2磁致伸缩换能器,正磁致伸缩效应,将铁磁材料做成的棒或管放在沿棒形或管形的磁场中，随着磁场大小的改变，棒或管的长度会发生变化，这种变化与磁场方向无关。,1-3 超声的产生与接收,逆磁致伸缩效应,当铁磁体在外力作用下发生形变时，其自发磁化强度会发生变化。这是接收型换能器的基础。但实际上很少采用磁致伸缩换能器接收超声。,磁致伸缩换能器与压电换能器的比较,表面上看，磁致伸缩换能器与压电换能器很相似，差别仅仅在于前者是根据形变与交变磁场之间的关系设计而成的，后者是根据形变与交变电场之间的关系设计而成的。其实不然，它们有着本质差别：压电体的伸缩与电场方向相关，而磁致伸缩体的伸缩与磁场方向无关。把一根铁磁棒置于过零的交变磁场中，当磁场作周期性变化时，铁磁棒也会周期性伸缩，但伸缩频率为磁场变化频率的2倍，而且，单位长度的变化与磁场大小之间的关系是非线性的。,1-3 超声的产生与接收,实用中，在给定磁场变化下，为了获得最大的同频、线性磁致伸缩形变，在设计磁致伸缩换能器时，除施加交变磁场外，通常还需附加一个直流的偏压磁场，该偏压磁场的大小应满足：,(1)大于交变磁场的峰值；,(2)不能过大，须使应变磁场曲线上的工作点位于曲线的陡峭区域(也就是使磁致伸缩形变与磁场变化近似为线性关系)。,3静电换能器(EAST),它是一种电容式超声换能器，能产生或接收几兆几百兆Hz的超声。,它以样品作为超声换能器的组成部分，但不接触样品，因而可以不对样品作任何扰动。它要求样品为固体，外表面有一个平面，以该平面作为电容的一极，外加一个平板作为另一极，共同形成一个电容器。,1-3 超声的产生与接收,发射型EAST,在电容器两端施加交变或瞬变电压，可在样品表面产生交变或瞬变力，从而向样品内部辐射超声。工作原理如图所示。,与磁致伸缩换能器类似，这种换能器也存在辐射声波频率与交变或瞬变电压频率不一致的问题，解决方法也类似，即施加一个直流偏压。在条件,下，电容器的两个电极单位面积上表面电荷之间有如下库仑力(交变或瞬变)作用：,1-3 超声的产生与接收,接收型EAST,基本结构与发射型ESAT相同，不同的是外加电极板固定不动，作为另一极的样品表面因受样品内部声波辐射而作振动，以此导致两极间隙的变化，使电容器的电容量产生交变或瞬变。,这里，直流偏压Vdc通过一个大电阻(几十兆欧)施加到电极上。同样，当,为了获得强超声，Vdc和V(w)相应较高，但问题是这两个参量过高会产生空气击穿(d一般很小，约10mm)。解决方法是在电容器的两极间置放一片电介质(如云母、聚酯薄膜等)。相关实验表明，由于电介质薄膜的质量很小，这样做并不影响样品表面的自由状态。,时，有,1-3 超声的产生与接收,为了保证电容器电容的变化正比于电极间隙的变化，即V(w)Dd(w)，可进一步在平板电极的外沿加防护环以减弱边缘效应。,对于非电导体样品，可在其表面镀上金属(如铜)薄膜，也有人提出偏压电压相反的两个平板电极的方法。,4电磁换能器(EMAT),EMAT与ESAT相似，在导电固体样品的上空放置一个平面体，但不是金属板，而是一个平面金属线圈，通以交变电流，因而作用在样品表面的是电磁场，而非纯电场。,EMAT同样有非接触的特点，而且其平面线圈与样品表面之间的距离比ESAT的电极间隙大得多，为mm数量级，平行度要求也不那么高。更便于使用，能在工业上普及(如已用于炽热钢材)。,EMAT也需要一个直流磁场，但作用独特。,1-3 超声的产生与接收,三、非可逆的一些产生方法,1机械方法,a.手摇齿轮法,声发射法,冲击法,使样品断裂而产生瞬态超声波。,让快速运动的单个粒子或粒子群，或者气流，冲击固体表面的一个微小区域，由此在固体内部产生球面纵波和横波。,断裂法,b.流体动力型超声换能器流体哨,c.声发射法,非可逆的产生超声的方法,只能产生超声而不能在条件基本不变的情况下用来接收超声的方法。,1-3 超声的产生与接收,2采用聚焦激光、电子束、粒子束或电弧等产生超声,对于较大的激光功率密度(如大于10MW/cm2)，这时样品表面局部融化，以至沸腾，出现材料烧蚀。对金属样品，一旦出现烧蚀，在金属表面及其上空，将形成金属等离子体，其综合效果可以看作是：由于从表面移走了动量，对表面便产生了一个法向的脉冲反冲力，因此会在固体样品内产生超声。,激光产生超声的机理：,A.热弹机制,对于小的激光功率密度(对固体样品，大致小于MW/cm2的数量级)，产生超声的原因是，被吸收的光能转换为热能，这时激光脉冲起着瞬态的小区域热源的作用，导致样品表面下的小区域发生热膨胀，从而产生热弹应变和应力，成为超声纵波、横波以至表面波的声源。这个声源可以近似为一组平行于样品表面的偶极子应力。,显然，不同材料有不同的热膨胀系数、热传导系数等，因而不同材料样品产生超声的效率是不一样的。,B.热蚀机理,1-3 超声的产生与接收,四、非可逆的一些接收方法,非可逆的接受超声的方法,只能接收超声而不能在条件基本不变的情况下用来产生超声的方法。,非可逆接收超声的方法有多种不同的类型，有的主要测量超声的位移，有的主要测量超声的强度，有的主要测量超声功率；有些相当粗糙，有些则较准确；有些适用于流体内的超声，有些适用于固体内部或其表面上的超声；还有些直接显示出超声的声场图像。,1力学法,a.粉末散布法(前面曾提过),b.辐射压力法,辐射压力,辐射压力声波的应力(声压)是交变的，但伴随超声的辐射压力却是单向的，即是“直流力”，它起源于声与载波介质的非线性效应。,1-3 超声的产生与接收,辐射压力的分类,瑞利辐射压力,存在于有声波传播的装有固定质量流体的封闭容器之内。这时，容器内不直接处于声场中的流体，只通过流体密度和压强为保持平衡所产生的变化，而和声场相互作用。,作用于开放容器内的流体中。这时流体的表面是自由的。人们常用的、根据辐射压力测量超声功率的方法即属于这种情况。,Langevin辐射压力,辐射压力只在不同阻抗介质的交界面，或吸声介质的内部才起作用。对于平面波传播途中有障碍物的情况，分析证明，沿着辐射方向的Langevin辐射压力为：,1-3 超声的产生与接收,式中E0为声波的能量密度，S为障碍物截挡声波的面积，D为拽力系数(取决于障碍物的声反射程度以及障碍物表面与声束相交的夹角)。对于平面声波，E0=I/c，I为声强，c为声速，代入上式可得,即通过测量F可确定声强I。,2热学法,a.热敏元件法,使用由微小温差电偶或热敏电阻、外裹声吸收薄层而构成的探头来吸收声能，导致热敏元件升温。在一定条件下，热敏元件的平衡温升，或其初始温度上升率正比于声波的强度，由此从探头的温升(热敏元件的输出电压)可测量声场中不同点的声强。,这种方法可用于测量MHz级的连续声波强度。,1-3 超声的产生与接收,它可用于测量超声源的总输出功率(MHz级)。量热器可以有种种结构，关键应注意以下几点：,b.电阻测辐射热计,原理与上类似，但结构有所不同。可在液氦低温下测量吉赫级以至太赫级的连续声波或脉冲声波。,c.量热器法,原理让超声换能器单位时间内所发射声能全部转换为热能，然后测量这个热能。,保证声能全部转换为热能；,保证换能器因内部损耗而直接产生的热能不能掺杂或混淆声能所转换的热能；,与外界的隔热问题。,1-3 超声的产生与接收,3光学法,a.表面位移测量,一种近年来得到较多发展的设备是光学干涉仪，有多种不同的结构，如稳定光程干涉仪、微分干涉仪等。,b.透明流体内部声场的显示：阴影法,如果介质内的声波为驻波，则可看到声压的波腹和波节明暗相间。若声波是行波，则只能看到一片均匀的明亮；若要观察声波的各波前，需要采用频闪光源。至于阴影法的灵敏度，有人计算，在水里最小可显值为710-5W。,用一般的装置可以测得数量级为0.1埃(Angstrom)的位移，更准确的据称可以测到10-4埃，但后者限于观察连续超声波或重复的长脉冲超声信号。和接收用压电换能器相比，光学干涉仪的灵敏度一般要低一两个数量级，但光学方法是非接触式的，又没有自身固有振动的干扰。,1-3 超声的产生与接收,c.透明固体内部声场的显示：光弹发，也可用阴影法，但光弹 法更适宜。,用光弹原理观察透明固体受静力时内应力的分布，是力学中的熟知技术。超声波也在固体内部的局部产生应力，因此也可以用这个方法显示，所不同的是超声波所产生的应力一般是运动的，特别是当要观察的是超声行波的传播行为(包括反射、折射、散射、模式变换等)，这时需要频闪光源，而光弹法也从力学中的静态方式变为动态的。,d.声强的计量：布喇格衍射法和新发展的光纤水听器。,1-3 超声的产生与接收,