超声波传输特性
第40卷 第2期厦门大学学报(自然科学版)V o l.40 N o.2 2001年3月Jou rnal of X iam en U n iversity(N atu ral Science)M ar.2001
文章编号:043820479(2001)022*******超声传输特性和超声传感系统研究
许天增1,许克平2,许 茹2,许水源1,程 恩2,童 峰1
(1.厦门大学海洋学系;2.厦门大学电子工程系,福建厦门 361005)
摘要:研究了空气介质中超声波的辐射、传播、散射和接收等规律性,作为超声传感系统设计的理论基础和具体参数选择的依据.简述3种具有创新性的超声传感系统:混凝土喷射机械手超声测距测向系统、超声地形障碍检出传感系统和移动机器人超声传感系统的设计和实验结果等.
关键词:超声传输;超声传感器;移动机器人
中图分类号:TB551文献标识码:A
通常频段超声波传输不受烟雾、粉尘的影响.超声测距仪的测量距离和精度能满足一般工程上的需要,且具有成本低、使用方便等优点,已广泛地使用于工矿、水文等领域的定向测距.但通常的超声测距仪难以形成移动机器人的超声传感系统,因为这类超声传感系统要有高的稳定性和可靠性,测量的精度也要求很高.有些传感器必须工作于诸如坑道混凝土喷射现场或风沙雨雪的野外环境,声波传输条件和受感目标复杂而多变,膜片式超声换能器无法使用,通常的信号处理方式也不适用.因此,设计使用于特殊要求的移动机器人超声传感器,就成了当前被广泛关注的一个研究课题.本文从超声传输特性的研究入手,寻找影响超声传感器性能的原因和解决的途径,研制了具有独创性的3种超声传感系统:混凝土喷射机械手、地形障碍和自动导引车超声传感系统.这些超声传感系统的设计原则和实验结论等在文中作了简要的论述.
1 混凝土喷射机械手超声传感系统
在现代快速施工,特别是野战工事快速构筑等作业中,混凝土通过输料车、湿喷机并最终由喷射机械手上的喷嘴直接喷射于受喷基底面上.实验证明,当喷嘴与受喷面距离80c m,且喷射流与基底面垂直时,混凝土反弹而溅落在地面的比例最少.以往是依靠人力来操作的,这是一项极费体力而且定距和定向均很难精确控制的操作.如何实现喷射机械手的智能化,使得喷嘴基本上处于最佳工作状态,就成了一个极待解决的国际难题.
从原理上说,采用超声传感器有可能解决此难题.但由于喷射机械手作业条件的恶劣和受
收稿日期:2000202215
基金项目:国家863计划(8632512210221)和国家自然科学基金(69385006)资助项目
作者简介:许天增(1936-),男,教授.
感目标(如坑道爆破面)的复杂和多变,具体的实现却很困难,需要对超声传输特性和传感器进行仔细的分析和研究.根据施工作业的具体要求,混凝土喷射机械手超声传感系统——超声测距定向仪的具体指标如下:1)基底取样线度:25c m 左右;2)测距范围及精度:0.7～3m ,±5
c m ;3)垂直和水平测角范围及精度:0°
～45°,±5;大于45°,以45°计;4)避障探测:喷嘴前方小于70c m 、左右方向小于50c m 的障碍物.为了探测喷嘴至受喷面的距离,只需测量装于喷嘴上的超声换能器辐射声脉冲并经受喷面反射来的声波传输的时间,在声速已知的条件下,就可算得距离的数值.为了测量喷射方向与受喷面在水平和垂直方向的倾角,就要由指向性很尖锐的几个换能器布阵来实现,以便由水平方向和垂直方向上的相对声程差换算成倾角.在阵列中,距离可取多个换能器的测距平均值.有时喷射方向与受喷面的倾角有较大的突变,测距范围要加大,留有余地地取3m .在实际的操作中,当测量距离大于或小于80c m ,就给控制系统传递喷嘴“前进”或“后退”的信息;当喷射方向与受喷面有大于5°的倾角时,就传递使喷嘴左、右或俯、仰转动的信息,而无需传送具体的倾角值.
如上所述,这类超声传感系统的工作原理虽然较简单,但在具体实现上却碰到许多技术难题,必须仔细地逐一解决,才能实现稳定、可靠的超声传感.
1)本传感系统工作于坑道中的湿喷机上,换能器表面受到混凝土(特别是石块)的冲击和堆积.使用通常的纸质或薄金属振动膜片作声波的辐射和接收面是不可能的.考虑采用压电陶瓷片并作必要的钢片粘合,以获不同的工作方式和工作频率.但由于钢片和空气的声阻抗相差达105,二者的阻抗匹配极为困难.为解决此难题,除提高发射功率和接收灵敏度外,着重研究了耦合层的特性和应用,从而大大地提高了空气介质中超声的辐射和接收性能,并作为换能器防碰和防腐的隔离层.
2)余振的克服:本装置需采用多个换能器的阵列,以收、发合一为宜.但气介中换能器负载轻,加上高增益接收电路的拖延和换能器支架等的耦合,在较大功率激励下,将产生较长的余振,使近距离探测成为不可能.采取适宜的振动方式,降低Q 值和去机械耦合以及采用灵敏度时间控制电路等综合措施,可使余振大大减小,符合整机要求.
3)锐指向性的获得:喷射面取样判断的面积为线度25c m ,因此换能器的指向性必须很尖锐,以提高方向分辨率和提高测距精度.并且要抑制旁极大,以免产生误判.为此要采用较大发射面的换能器,工作于较高的频率,特别要注意换能器的安装方式,就可获得半功率全角为2°～3°的尖锐指向性,满足本传感器的要求.
4)小掠射角下回波的获得:在反射壁起伏大的情况下,超声波有时以小掠射角入射.如有关参数选择不当,入射声能将在通常反射方向行进,反向散射波很弱,检测就很困难.解决办法除提高功率外,尚需提高工作频率,使声波波长远小于壁面起伏线度,这时可把表面视为粗糙的,漫散射起主导作用,就有一定分量的反向散射被接收.当然,工作频率的提高,传输衰减,特别是信道中散射效应提高了.功率提高也使余振加宽.这些相互制约的因素要在实践中仔细调整而最后确定.
5)换能器工作于垂直向上及附近时,混凝土在其表面堆积可达几厘米厚,严重地影响超声波的辐射和接收,必须及时给以清除.
6)混凝土溅射产生的回声干扰信号及其影响的抑制:上述的干扰信号在某些工况下是很强的,特别是在喷射顶面反射的混凝土落在距离换能器较近时,因此就有一个在强干扰背景下
?
403? 厦门大学学报(自然科学版) 2001年
如何正确地检测受喷面的回声信号问题,否则,机械手将会发生频发性错控事件.为此,采用了数字滤波及数据处理予于解决.与此相配套的技术环节是采用快速的A D 完成对回波脉冲信号进行离散采样.
表1 测距(18℃)T ab .1 R anging values (18℃)米尺读数 c m 16515410080测量数值 c m 16415310179表2 水平测向T ab .2 Ho rizon tal bearing values 测角器读数 (°)0481115182228313747测量值 (°)335711172528303748表3 垂直测向T ab .3 V ertical bearing values
测角器读数
(°)03811151926313440测量值 (°)4699161922263137
7)受喷面的回波幅度
将随声波掠射角和表面粗糙
程度等的不同而改变.因此,
若采用固定振幅门限来检测
回波脉冲将影响测距和测向
的稳定度和精度.为此,采用
自适应振幅门限的措施予于
解决.
混凝土喷射机械手超声
传感系统进行了多方面的实
验.有关测距和测向的典型
数据如表1～3所示.在静态测距、测向符合设计要求的基础上,本传感
系统在坑道中进行了一系列
的现场实验,证明了本系统有很强的抗干扰性能,包括电声干扰和混凝土溅落形成的回波干扰.当进行竖直面喷射时,换能器表面没明显的混凝土堆积,回波幅度大;但进行坑道顶端喷射时就有堆积现象,经清除后能获得稳定回波.传感系统测距精度与上述数据一致,测向指示正确.随后本传感系统在坑道中与机械手进行自动操作联机实验,工作正常,从而实现了混凝土喷射机械手的全自动化工作.
2 超声地形障碍传感系统
国内外有各类超声测距测向仪产品.如上所述,这类仪器依靠目标回波来测定目标的距离,并依换能器的指向性来探测目标的方位.超声测距仪已广泛地使用于工矿、交通和水文等领域[1],也有使用于某些战车及移动机器人的报导[2,3].
通常的超声测距测向仪作用距离较近,如10m 左右,测向的精度很低,如20°～30°.典型
的产品如美国波拉公司的超声测距仪,其最大测距为10.6m ,测向精度为23°[4].特别是此类
仪器所使用的超声换能器采用了膜片振动方式,虽然易于与空气介质耦合,发射效率和接收灵敏度均较高,但其稳定性较差,更不能使用于风沙、雨雪的野外等恶劣的环境中.
本文论述的超声地形障碍检出传感系统要求能工作于野外恶劣的环境,具有两种既独立又互相联系的功能:地形障碍物的测距、测向和障碍物某些参数的测量,其具体指标如下:
1)超声测距、测向仪:(1)最小识别面积:18m 位置上的35c m ×35c m 的硬质目标;(2)纵向检测范围:可同时检测3m ～18m 内的上述目标;(3)纵向检测精度:检测距离的0.5%;(4)横向检测范围:由几个横向开角为4°的换能器阵列而成;(5)横向角度分辨率:4°(-6db 作为判断标准).
)()?503?第2期 许天增等:超声传输特性和超声传感系统研究
在0.4～0.7m ,最大相对误差小于10%;(2)突变下凹地形(如沟):最小分辨宽度为0.5m ,宽度在1m 以内的最大相对误差小于15%.深度在0.4～0.7m 范围内,误差小于10%.
系统的探测过程为:先进行障碍目标存在及其距离、方位的探测,然后使机器人靠近障碍目标(如5m 左右)进行静态的有关地形要数的测量,从而为某些智能机器人提供近距离障碍目标的有关信息.
本超声地形障碍传感系统探测距离较远,特别是地形要数的探测与障碍物和地面的散射特性密切相关.因此,必须深入地研究超声辐射、传播、散射和接收等特性,研究声信号的起伏规律和统计检测方案,作为此类超声传感器设计和具体参数选取的依据.
设计本超声传感系统首先要选取其最佳工作频率,它在一定程度上决定了本系统的性能.为此,仔细地研究了超声反向散射强度与不同路面(柏油路、沙土路和石板路等)粗糙度、工作频率和掠射角等的变化关系,研究了超声传播衰减与温度、湿度和工作频率的变化关系,并根据本传感系统工作距离的要求,经过综合分析和折衷,最后确定了最佳工作频率.在已知超声传播衰减的条件下,所需的辐射声功率就可估算出来.
本超声传感系统最关键的器件是超声换能器.它除了能辐射上述估算的声功率外,还要有符合本系统要求的特殊指向特性和能工作于风沙、雨雪的恶劣环境.本超声换能器除了可用上述喷射机械手超声传感系统的压电陶瓷加上耦合层的方案外,专门研制了由纵向复合振子、变幅杆和弯曲振动阶梯圆盘组成的超声换能器[5],它不但有较高的发射效率和接收灵敏度,其主极大很尖锐,达±2°,特别是旁极大的衰减可达18db ,为抗侧向回波干扰创造了极为有利的条件.
本超声传感系统将安装于野外工作的移动机器人上,背景噪声较高.对于数字化的超声传感器的抗干扰问题就很突出,因为每一个噪声都可能形成一个误判,整机的虚警概率就很高.此外,本系统工作于恶劣的野外条件,信道中气流的影响大,回波信号的起伏也很大,如可达15db 左右.因此,系统的检测概率也可能很低.为了提高整机的可靠性和稳定性,仔细地研究了声信号起伏和噪声的统计规律,采取了相应的自适应信号处理方案和统计判决方式[6,7],这时发射M 次脉冲,取K 次统计平均,就可容许(M 2K )个脉冲丢失,这样就大大地提高了整机的检测概率.由于在M 个脉冲的期间内出现同周期的K 个噪声的概率很低,因而增强了系统抗干扰水平.此外,测量的精度也有很大的提高,因为这类测距误差遵从于高斯分布率.
本超声传感系统进行了多次的实验,其典型结果如表4～7所示.
1)纵向测距:测距值已依声速随温度变化进行了自动校正.目标为35c m ×35c m 的木质平面.
表4 测距数值
T ab .4 R anging values
米尺读数 m
510152023测量数值 m
4.99～
5.019.95～9.9714.95～14.9819.88～20.1223.13最大相对误差 %0.20.50.330.600.562)地面凸起障碍物高度测量:以木板为模拟障碍物.典型的数据如表5所示.
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603? 厦门大学学报(自然科学版) 2001年
表5 高度测量数据
T ab .5 H eigh t m easu rem en t
米尺读数 c m
3540506070测量数值 c m
33～3737～3946～4864～6567～68最大相对误差 %5.77.588.34.3
3)凹坑深度:把障板放于坑沿,改变其高度模拟深度值.测量结果如表6所示.
表6 深度测量值T ab .6 D ep th m easu rem en t
米尺读数 c m
42546070测量数值 c m
43～4551～5355～5768～71最大相对误差 %7.15.68.32.9
4)凹坑宽度:典型测量数值列于表7.
表7 宽度测量数值
T ab .7 W idth m easu rem en t
米尺读数 c m
507090110130150170190200测量数值 c m
50～5760～7777～9699～111116～131135～158175～182192～210202～219
最大相对误差 %1414141011107.19.510.5实验表明,本传感系统中的超声测距测向仪可在恶劣的野外环境中灵敏、可靠地探测障碍目标,测距较远,方向分辨率较高.现已开发了通用的远距离高精度的超声测距测向仪[8].
实验也指出,在障碍目标较规则,地面粗糙度相对于声波波长还较大等条件下,本传感系统可在近距离静态下测量障碍物的高度等地形要素.但对于复杂而多变的障碍物和地面,采用实验性的单波束探测方案就很难适应,而要采用锐指向性、多波束的综合传感和融合才有可能实现,包括如喷射机械手超声传感器对路面倾斜度的探测.
3 移动机器人超声传感系统
计算机集成制造系统(C I M S )的广泛应用成为现代工业生产的一个迅猛发展的趋势
.而自动导引车(A GV )是C I M S 工程中的一个关键组成部件
.国内外都强调了自动导引车及其自动物流输送装置和面向应用环境的新型传感器的开发研究.
当前国内外移动机器人,特别是A GV 实用的导引方法主要有地埋式的电磁导引和激光导引,并形成了相应的产品.使用最广泛的电磁导引方式虽有导引精度高、通讯及控制方便等优点,但这种导引方式缺乏机动性和灵活性,不适用于自由路径模式的A GV ,即使使用于固定路径模式,也不具备车体定位及停车控制和避障功能,还要采用诸如光学传感器和超声传感器等的融合.激光导引方式则存在需配置高精度的机械扫描控制带来的复杂和耗时的问题.
从原理上说,采用超声传感器有可能实现A GV 路径导引、车体定位、工作站停靠和避障等多种功能,无需采用多种传感器的融合技术;而且超声探测不受光照、烟雾等影响,成本低,
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703?第2期 许天增等:超声传输特性和超声传感系统研究
使用方便,具有推广应用的前景.但至今国内外尚未实际使用超声传感器于A GV 导引上,其主要原因在于不能真正解决超声导引的稳定性、可靠性和精确性.我们把解决这些问题作为技术关键处理,就有可能研制成实用化的移动机器人超声传感系统.
通常的超声测距是采用如雷达的回波探测方式,回波信号波形就与目标特性有关.碰到与波长相对而言的粗糙表面的目标,就要产生漫反射;碰到平整的表面,就产生近于镜面反射,因此,回波信号起伏很大,以至于完全被背景噪声掩盖,整机的检测概率就很低,可靠性差.本文采用收发分开超声被动测距方案,接收直达的声信号并作相应的信号处理,就可从方案上解决因目标特性差异产生的信号起伏,提高了整机可靠性.而且,这方案无余振问题,盲区小,更适宜于移动机器人近距离高精度的超声传感.
对于一般超声换能器,其指向性较宽,主极大一般为20°以上.因此,采用上述回波探测方案,测向的精度就很低,与移动机器人的定向要求相差甚远;而且通常的超声测距的信号处理方式是基于回波形状基本不变这一理想前提的.但实际的回波波形受到换能器及其布局、信道特性等的影响,波形是复杂而多变的.因此,测距的精度较低,也不能满足移动机器人导引的要求.
我们仔细地考虑超声信号的发射、传播和接收过程对信号检测的影响,研究了超声换能器频率响应较窄和不平坦以及发射、接收换能器角度偏向、空气介质吸收、散射等信道特性产生的波形畸变.在此基础上进行了超声换能器和传输信道的均衡处理.
图1 LM STD E 算法原理框图
F ig .1 T he basic p rinci p le of LM STD E
一种采用LM S 自适应时
延估计(LM STD E )适用于全
向高精度测距处理方法,如图
1所示[9,10].
LM STD E 的基本原理是
用LM S 算法对不同时延值对
应的输入信号进行自适应滤
波,搜索出与参考信号有最小均方误差的时延值即为时延估计值.其输入信号、误差表
达式、自适应滤波器权系数更新公式及均方误差表达式为
X k (Σ)=S k (n -Σ)
e k (Σ)=y k -W T k (Σ
) X k (Σ) W k +1(Σ)=W k (Σ)+2Λ e k (Σ) X k (Σ)
Φ(Σ)=∑n
k =0
e k
(Σ)其中,Λ为收敛因子;Σ为延值;S k 为输入信号,y k 为参考输出信号;X k 为LM S 滤波器输入信号;W k 为滤波器权重系数.
LM STD E 算法通过求出使均方误差Ν(Σ)(n 为自适应滤波器输入信号长度)为最小的时延值Σ来进行时延估计.如以理想换能器(平坦、宽带)的输出信号为自适应滤波器的输出参考信号,LM STD E 算?
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法实际上是一个自适应的换能器2信道均衡器,它通过LM S 自适应滤波消去了实际换能器与理想换能器的频率特性差及信道由于斜向入射产生的传递特性对输出信号产生的影响,使整个系统保持平坦的频率响应.而输出均方误差最小即均衡效果最好时的输入信号时延值当然就是信号的真实时延值.
由此可知,LM STD E 算法不仅可克服斜向入射产生的波形畸变,而且可以使实际换能器的频率特性接近理想换能器,从而获得高精度的延时估计结果.
LM STD E 算法每个时延值迭代周期的乘法运算量与自适应滤波器阶数的平方成正比,而时延值寻优时需对搜索范围内所有的时延值进行搜索,这样就造成了LM STD E 算法运算量大,特别是滤波器阶数大时甚至达到不能容忍的程度,从而降低了系统的实时性.
为了减少运算量,我们从减小时延值的搜索范围来考虑.因为基于信号波形的处理方法在垂直入射时精度高,斜入射时由于波形畸变精度下降,入射角度越大,影响越大.考虑到普通处理方法运算量远小于LM STD E 的运算量,故可以用普通方法先初定LM STD E 的时延搜索范围,再进行最佳时延值的搜索.这样可有效地减少其计算量.
适用于A GV 超声系统高精度测距(如达几毫米)信号处理方法的研究和采用是需确实解
决的一个问题.在高精度测距的条件下,就可依一定的测向算法获得高精度的测向值(如1°
).我们探讨了脉冲波和连续波工作方式、相关测距和可变阈值检测等方案[11,12].这些信号处理方案各有其特殊性,对于A GV 低精度的避障、中等精度的车体定位和路径导引以及高精度的工作站停靠等不同要求,可灵活地选用.
抗干扰是提高超声传感系统稳定性和可靠性的另一问题.由于A GV 上的超声传感系统的工作距离较远,如20m 以上,信号幅度将较小,而且A GV 工作环境的噪声,如来自A GV 自身和各类生产设备产生的噪声级有可能较高,因此,这类超声传感器可能工作于较低的信噪比条件下,降噪处理就显得特别重要.在分析了典型工业设备超声背景的基础上,分析和研究了多种降噪特别是抑制窄带噪声的处理方法在移动机器人上应用的可能性,包括了硬件降噪和软件降噪处理,如累加法、小波降噪和基于神经网络的窄带高斯噪声处理等[13].
在上述研究工作的基础上,开发了采用本导引方案的实验性A GV 平台,进行了定位、固定路径导引、自由路径导引、工作站停靠、避障等功能的各项实验工作.实验性A GV 的主要性能指标如下:
1)10m 范围内固定路径导引精度为: 横向±5c m , 纵向±3c m ;
5m 范围内固定路径导引精度为:横向±1c m ,纵向±2c m ;
2)10m 范围内自由路径导引精度为:横向±10c m ,纵向±5c m ;
5m 范围内自由路径导引精度为:横向±5c m ,纵向±3c m ;
3)定位及停靠距离控制精度为:横向±5mm ,纵向±3mm ;
4)A GV 车体停靠偏角测量精度:±1°;
5)避障能力:能探测距正前方±30°距离4m 内能形成障碍的目标.
实验结果表明,本导引方案可以满足固定路径和自由路径A GV 导引的各种功能需要,并具有安装使用方便、成本低的特点.除可用于C I M S 中的A GV 导引外,本系统还可用于室内结构性环境中工作的各类服务类移动机器人.
由于以上实验工作是在实验室进行,尚须在A GV 使用现场进行相应的实验.此外,系统?903?第2期 许天增等:超声传输特性和超声传感系统研究
的一些信号处理方案和性能指标也还有进一步开发和提高的潜力,还需今后继续总结和提高.
参与本研究并做出许多重要工作的人员还有王清池教授、许肖梅、许鹭芬副教授和杨海华讲师等人.参考文献:
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XU T ian 2zeng 1,XU Ke 2p ing 2,XU L u 2,XU Shu i 2yuan 1,
CH EN G En 2,TON G Feng
1(1.D ep t .of O ceanog .,X iam en U n iv .,
2.D ep t .of E lec .Eng .,X iam en U n iv .,X iam en 361005,Ch ina )
Abstract :T he p rop erties of u ltrason ic radiati on ,p rop agati on ,scattering and recieve in air m edium are analyzed in th is p ap er .T h ree new k inds of u trason ic seno rs u sed in robo ts have been develop ed .T he basic design con siderati on s of the seno rs and exp eri m en tal resu lts are described in b rief .
Key words :u ltrason ic tran s m issi on ;u ltrason ic seno r ;m ob ile robo t
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013? 厦门大学学报(自然科学版) 2001年
实验9 超声波系列实验
实验38 超声波系列实验 一、实验目的 (1).熟悉XYZ-2A 型超声波综合设计实验仪的用法； (2).了解压电换能器的功能，加深对驻波及振动合成等理论知识的理解； (3).学习用共振干涉法、相位比较法等方法测定超声波在空气中的声速； (4).熟悉超声波探伤的基本原理和方法； (5).掌握液位计的设计原理及方法。 二、参考资料 XYZ-2A 型超声波综合设计实验仪说明书，大学物理教材机械波一章。 三、仪器及用具 XYZ-2A 型超声波综合设计实验仪，探头，示波器。 四、实验原理 1．声速的测量 由波动理论知道，在波动过程中，波的频率f 、声速V 、波长λ之间有以下关系： λ?=f V （1） 所以实验中只要测定出声波的频率f 和波长λ即可求出波速V 。常用的测量声波波长的方 法有共振干涉法和相位比较法。 （1） 共振干涉法(驻波法) 当两列波幅度相同、方向相反的声波叠加时产生驻波。设有一从发射源发出的一定频率 的平面声波，我们称之为前进波，方程为： )2cos(1x t A y λπ ω-= 此前进波经过空气传播，到达接收器。如果接收面与发射面严格平行，入射波即在接收面上 垂直反射，反射波为： )2cos(2x t A y λ πω+ = 则入射波与反射波合成的声波为 t x A x t A x t A y y y ωλπλπωλπ ωcos 2cos 2)2cos()2cos(21?? ????=++-=+= （2） 这里ω为声波的角频率，t 为经过的时间，x 为经过的距离。式（1-2）表明，在发射面和 接收面之间形成了驻波场，即各点都在作同频率振动，而各点的 振幅?????? x A λπ2cos 2是位置x 的余弦函数，对应于02cos =x λ π的点静止不动，成为波节，
大学物理实验超声波速测量实验报告
大学物理实验超声波速测量实验报告 一实验目的 1.了解超声波的物理特性及其产生机制； 2.学会用相位法测超声波声速并学会用逐差法处理数据； 3.测量超声波在介质中的吸收系数及反射面的反射系数； 4.并运用超声波检测声场分布。 5.学习超声波产生和接收原理， 6.学习用相位法和共振干涉法测量声音在空气中传播速度，并与公认值进行比较。 7.观察和测量声波的双缝干涉和单缝衍射 二实验条件 HLD-SV-II型声速测量综合实验仪，示波器，信号发生仪 三实验原理 1、超声波的有关物理知识 声波是一种在气体。液体、固体中传播的弹性波。声波按频率的高低分为次声波（f＜20Hz）、声波（20Hz≤f≤20kHz）、超声波（f>20kHz）和特超声波（f≥10MHz），如下图。 声波频谱分布图 振荡源在介质中可产生如下形式的震荡波： 横波：质点振动方向和传播方向垂直的波，它只能在固体中传播。 纵波：质点振动方向和传播方向一致的波，它能在固体、液体、气体中的传播。 表面波：当材料介质受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播的波，介质表面的质点做椭圆的振动，因此表面波只能在固体中传播且随深度的增加衰减很快。 板波：在板厚与波长相当的弹性薄板中传播的波，可分为SH波与兰姆波。
超声波由于其波长短、频率高，故它有其独特的特点：绕射现象小，方向性好，能定向传播；能量较高，穿透力强，在传播过程中衰减很小，在水中可以比在空气或固体中以更高的频率传的更远，而且在液体里的衰减和吸收是比较低的；能在异质界面产生反射、折射和波形转换。 2、理想气体中的声速值 声波在理想气体中的传播可认为是绝热过程，因此传播速度可表示为 μrRT =V (1) 式中R 为气体普适常量(R=)，γ是气体的绝热指数(气体比定压热容与比定容热容之比)，μ为分子量，T 为气体的热力学温度，若以摄氏温度t 计算，则：t T T +=0 K T 15.2730= 代入式(1)得， 00001V 1)(V T t T t T rR t T rR ++?+=＝＝μμ (2) 对于空气介质，0℃时的声速0V = m s 。若同时考虑到空气中的蒸汽的影响，校准后 声速公式为： s m p p T t w /)319.01)(1(45.331V 0++= (3) 式中w p 为蒸汽的分压强，p 为大气压强。 3、共振干涉法 设有一从发射源发出的一定频率的平面声波，经过空气传播，到达接收器，如果接收面与发射面严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与反射波相干涉形成驻波，反射面处为位移的波节。改变接收器与发射源之间的距离l ，在一系列特定的距离上，媒质中出现稳定的驻波共振现象。此时，l 等于半波长的整数倍，驻波的幅度达到极大；同时，在接收面上的声压波腹也相应地达到极大值。不难看出，在移动接收器的过程中，相邻两次达到共振所对应的接收面之间的距离即为半波长。因此，若保持频率 v 不变，通过测量相邻两次接收信号达到极大值时接收面之间的距离(2/λ)，就可以用λv =V 计算声速。 声压变化与接收器位置的关系：
超声波特性
2．1 超声波的定义 波是由某一点开始的扰动所引起的，并按预定的方式传播或传输到其他点上。声波是一种弹性机械波。人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反应，能引起人们听觉的机械波频率在20Hz~20KHz ，超声波是频率大于20KHz 的机械波。 在超声波测距系统中，用脉冲激励超声波探头的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动在与其接触的介质中传播，便形成了超声波。 2．2超声波的物理特性 当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质，称为反射波；另一部分能量透射过分界面，在另一个介质内部继续传播，称为折射波，如图2．1所示，图中L 为入射波，S ?为反射横波，L ?为反射纵波，L ?为折射纵波，S ?为折射横波。 L 图2．1超声波的反射、折射及其波形转换 这些物理现象均遵守反射定律、折射定律。除了有纵波的反射波折射波以外，还有横波的反射和折射。 因为声波是借助于传播介质中的质点运动而传播的，其传播方向与其振动方向一致，所以空气中的声波属于纵向振动的弹性机械波。在理想介质中，超声波的波动方程描述方法与电磁波是类似的。描述简谐声波向X 正方向传播的质点位移运动可表示为： ()cos()A A x t kx ω=+ （2.1） 0()ax A x A e -= （2.2） 式中，()A x 为振幅即质点的位移，0A 为常数，ω为角频率，t 为时间，x 为传播距离，2/k πλ=为波数，λ为波长，α为衰减系数。衰减系数与声波所在介质和频率关系： 2af α= （2.3）
式(2．3)中，a 为介质常数，f 为振动频率。 2．2．1超声波的衰减 从理论上讲，超声波衰减主要有三个方面： (1) 由声速扩展引起的衰减 在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面声波的声速不断扩展增大，因此单位面积上的声压随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减。 (2) 由散射引起的衰减 由于实际材料不可能是绝对均匀的，例如材料中外来杂质金属中的第二相析出、晶粒的任意取向等均会导致整个材料声特性阻抗不均，从而引起声的散射。被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去，最终变成热能，这种衰减称为散射衰减。 (3) 由介质的吸收引起的衰减 超声波在介质中传播时，内于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变成热能。同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，以及由于分子驰豫造成的吸收，这些都是介质的吸收现象，这种衰减称为吸收衰减。 扩散衰减仅取决于波的几何形状而与传播介质的性质无关。对于大多数金属和固体介质来说，通常所说的超声波的衰减，即p(衰减系数)表征的衰减仅包括散射衰减和吸收衰减而不包括扩散衰减。因此，空气介质的衰减系数也由两部分组成，可由下式表示： 22222238211()3v P f f K C C C C πηπβρρ=++ (2.4) 式中：K ：热传导系数 f ：超声波频率 η：动力粘滞系数 C ：超声波传播速度 v C ：定容比热 p C ：定压比热 ρ：传播介质密度 式(2．4)中第一项是由内摩擦引起的衰减系数，第二项是由热传导引起的衰减系数，由于后者比前者小得多，故在忽略热传导引起的超声波衰减的情况下，衰减系数可以由下式表示： 223 83f C πηβρ= （2.5） 把C = 2.5）可得： 3223 322283()M f R T β πηργ=?? (2.6) 由式(2．6)可知：温度一定时，η、 ρ、T 均一定，衰减系数与频率的平方成正比；频率越高，衰减的系数就越大，传播的距离也就越短。在实际应用中，一般选
超声诊断仪基本原理及其结构
江西中医学院计算机学院08生物医学工程2班黄月丹学号2 超声诊断仪原理及其基本结构 超声成像检查技术是指运用超声波的物理特性，通过高科技电子工程技术对超声波发射、接收、转换及电子计算机的快速分析处理和显像，从而对人体软组织的物理特性、形态结构与功能状态作出判断的一种非创性检查技术。 超声诊断技术的发展历程 20世纪50年代建立，70年代广泛发展应用的超声诊断技术，总的发展趋势是从静态向动态图像(快速成像)发展，从黑白向彩色图像过渡，从二维图像向三维图像迈进，从反射法向透射法探索，以求得到专一性、特异性的超声信号，达到定量化、特异性诊断的目的。80年代介入性超声逐渐普及，体腔探头和术中探头的应用扩大了诊断范围，也提高了诊断水平，90年代的血管内超声、三维成像、新型声学造影剂的应用使超声诊断又上了一个新台阶。 二．超声诊断仪的种类 (一) A型这是一种幅度调制超声诊断仪，把接收到的回声以波的振幅显示，振幅的高低代表回声的强弱，以波型形式出现，称为回声图，现已被B型超声取代，仅在眼科生物测量方面尚在应用，其优点是测量距离的精度高。(二) B型这是辉度调制型超声诊断仪，把接收到的回声，以光点显示，光点的灰度等级代表回声的强弱。通过扫
描电路，最后显示为断层图像，称为声像图。B型超声诊断仪由于探头和扫描电路的不同，显示的声像图有矩形、梯形和扇形。矩形声像图和梯形声像图用线阵探头实现，适用于浅表器官的诊断；扇形声像图用的探头有多种，机械扇扫探头、相控阵探头和凸阵探头均显示扇形声像图。前二种探头可由小的声窗窥见较宽的深部视野，适用于心脏诊断；后一种探头浅表与深部显示均宽广，适用于腹部诊断，有一种曲率半径小的凸阵探头，也可用小的声窗，窥见深部较宽的视野。 (三) M型 M型超声诊断仪是B型的一种变化，介于A型和B型之间，得到的是一维信息。在辉度调制的基础上，加上一个慢扫描电路，使辉度调制的一维回声信号，得到时间上的展开，形成曲线。用以观察心脏瓣膜活动等，现在M型超声已成为B型超声诊断仪中的一个功能部分不作为单独的仪器出售。(四) D型在二维图像上某点取样，获得多普勒频谱加以分析，获得血流动力学的信息，对心血管的诊断极为有用，所用探头与B型合用，只有连续波多普勒，需要用专用的探头。超声诊断仪兼有B型功能和D型功能者称双功超声诊断仪。(五) 彩色多普勒超声诊断仪具有彩色血流图功能，并覆盖在二维声像图上，可显示脏器和器官内血管的分布、走向，并借此能方便地采样，获得多普勒频谱，测得血流的多项重要的血流动力学参数，供诊断之用。彩色多普勒超声诊断仪一般均兼有B型、M型、D型和彩色血流图功能。(六) 三维超声诊断仪三维超声是建立在二维基础上，在彩色多普勒超声诊断仪的基础上，配上数据采集装置，再加上三维重建软件，该仪器即有三维显示功能。(七) C型C型超声仪也是辉度调制型的一种，与B型不同的是其显示层面与探测面呈同等深度。超声诊断仪基本原理
超声波物理特性
声速 声速与介质的体弹性系数和密度有关。由于介质的弹性系数与温度有关，因此声速也与温度有关。在超声诊断的频段中，人体组织的超声速度与频率无关，而且软组织中的声速都很接近，约为1540m/s。 波长、周期和频率 声波在介质中传播时，两个相邻的同相位点之间的距离，如相邻两点稠密部之间的距离（超声 波在人体中一般是以纵波方式传播），称为声波的波长，以λ表示。波向前移动一个波长的距离所需的时间，称为声波的周期，以T表示。介质中任何一给定点在单位时间内通过的波敝，称为声波的频率，以f 表示。它们之间的关系为 λ=C/f=CT 式中为声波的传播速度。 医学诊断中采用的超声波频率在1-20MHz范围内。 声阻抗 介质中任意点的密度ρ与该点处声波的传播速度C之积为此介质在该点处的声阻抗，以Z表示，即Z=ρC。它是表征介质的声学特性的一个重要物理量。声阻抗的变化将影响超声波的传播。声阻抗是采用反射回波法进行超声诊断的物理基础。 声压级与声强级 声压级LP是以分贝表示的某个声压P与参考分压P0的比值，即LP=20lg(P/P0) 声强级LI是以分贝表示的某个声强I与参考声强I0的比值，即LI=10lg(I/I0) 声强是表示声的客观强弱的物理量，它表示通过垂直于传播方向上单位面积的能流率。声强为I=1/2(ρCω02A2)= p02/(2Z) 声强的单位是mW/cm2或W/m2。 声强与声源的振幅有关，振幅越大，声强也越大。对于平面超声波，他的总功率为强度I和面积S的乘积，即W=IS。 由于超声强度太大会破坏人体正常细胞组织，因其不可逆的生物效应。因此，国际上对诊断用 超声强度安全剂量作出规定，一般接受的安全剂量为20mW/cm2。
超声波特性
超声波的四个特性及应用特性 来源：全球五金网2011-9-8 作者：济宁天华超声电子仪器有限公司公司产品公司商机公司招商公司新闻 超声波顾名思义，超过常规声波的声波。声波是指人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为16Hz-20KHz。当声波的频率低于16Hz时就叫做次声波，高于20KHz则称为超声波声波。 超声波特性有四个方面： 1）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。 2）超声波可传递很强的能量。 3）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。 4）超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。 1.束射特性 由于超声波的波长短，超声波射线能够和光线一样，可以反射、折射，也能聚焦，而且．恪守几何光学上的定律。即超声波射线从一种物质外表反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射，也就是要改动它的传插方向，两种物质的密度差异愈大，则折射也愈大。 2.吸收特性 声波在各种物质中传播时，随着传播间隔的增加，强度会渐进削弱，这是由于物质要吸收掉它的能量。关于同一物质，声波的频率越高，吸收越强。关于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收最历害，在液体中传播时吸收比拟弱，在固体中传播时吸收最小。 3.超声波的能量传送特性 超声波所以往各个工业部门中有普遍的应用，主要之点还在于比声波具有强大得多的功率。为什么有强大的功率呢?由于当声波抵达某一物资中时，由于声波的作用使物质中的分子也跟着振动，振动的频率和声波频率―样，分子振动的频率决议了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。 物资分子由于振动所取得的能量除了与分子的质量有关外，是由分子的振动速度的平方决议的,所以假如声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量、超声波的频率比声波能够高很多，所以它能够使物资分子取得很大的能量；换句话说，超声波自身能够供应物质足够大的功率。 4.超声波的声压特性 当声波通入某物体时,由于声波振动使物质分子产生紧缩和稠密的作用，将使物质所受的压
超声波测距实验报告
电子信息系统综合设计报告 超声波测距仪
目录 摘要 (3) 第一章绪论 (3) 1.1 设计要求 (3) 1.2 理论基础 (3) 1.3 系统概述 (4) 第二章方案论证 (4) 2.1 系统控制模块 (5) 2.2距离测量模块 (5) 2.3 温度测量模块 (5) 2.4 实时显示模块 (5) 2.5 蜂鸣报警模块 (6) 第三章硬件电路设计 (6) 3.1 超声波收发电路 (6) 3.2 温度测量电路 (7) 3.3 显示电路 (8) 3.4 蜂鸣器报警电路 (9) 第四章软件设计 (10) 第五章调试过程中遇到的问题及解决 (11) 5.1 画PCB及制作 (11) 5.2 焊接问题及解决 (11) 5.3 软件调试 (11) 实验总结 (13) 附件 (14) 元器件清单 (14) HC-SR04超声波测距模块说明书 (15) 电路原理图 (17) PCB图 (17) 程序 (18)
摘要 该系统是一个以单片机技术为核心,实现实时测量并显示距离的超声波测距系统。系统主要由超声波收发模块、温度补偿电路、LED显示电路、CPU处理电路、蜂鸣器报警电路等5部分组成。系统测量距离的原理是先通过单片机发出40KHz 方波串，然后检测超声波接收端是否接收到遇到障碍物反射的回波，同时测温装置检测环境温度。单片机利用收到回波所用的时间和温度补偿得到的声速计算出距离，显示当前距离与温度，按照不同阈值进行蜂鸣报警。由于超声波检测具有迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制的特点，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在生产生活中得到广泛的应用，例如超声波探伤、液位测量、汽车倒车雷达等。 关键词：超声波测距温度测量单片机 LED数码管显示蜂鸣报警 第一章绪论 1.1设计要求 设计一个超声波测距仪，实现以下功能： (1)测量距离要求不低于2米； (2)测量精度±1cm； （3）超限蜂鸣器或语音报警。 1.2理论基础 一、超声波传感器基础知识 超声波传感器是利用晶体的压电效应和电致伸缩效应，将机械能与电能相互转换，并利用波的特性，实现对各种参量的测量。 超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关，与环境条件也有关： 在气体中，超声波的传播速度与气体种类、压力及温度有关，在空气中传播速度为C=331.5+0.607t/0C (m/s) 式中，t为环境温度，单位为0C. 二、压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 三、超声波测距原理 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在空气中传播的距离较远，因而超声波
超声波是怎么产生的
超声波是怎么产生的声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。超声波是指振动频率大于20190Hz以上的，其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的一般上限（20190Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。由于其频率高，因而具有许多特点：首先是功率大，其能量比一般声波大得多，因而可以用来切削、焊接、钻孔等。再者由于它频率高，波长短，衍射不严重，具有良好的定向性，工业与医学上常用超声波进行超声探测。超声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模式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，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，1兆Hz=10PHz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在16-20190HZ 之间）。 超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律， 与可听声波的规律没有本质上的区别。但是超声波的波长很 短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声 波具有许多奇异特性：传播特性——超声波的波长很短，通 常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波 的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声 波的波长越短，该特性就越显著。功率特性——当声音在空 气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。 声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波
的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。空化作用当超声波在介质的传播过程中，存在一个正负 压强的交变周期，在正压相位时，超声波对介质分子挤压，改变介质原来的密度，使其增大; 在负压相位时，使介质分子稀疏，进一步离散，介质的密度减小，当用足够大振幅的超声波作用于液体介质时，介质分子间的平均距离会超过使液体介质保持不变的临界分子距离，液体介质就会发生断裂，形成微泡。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。
专题实验-超声波测试原理及应用
实验一、超声波的产生与传播 实验方案 1. 直探头延迟的测量 参照附录A 连接JDUT-2型超声波实验仪和示波器。超声波实验仪接h 直探头，并把探 头放在CSK-IB 试块的正面，仪器的射频输出与示波器第1通道相连，触发与示波器外触发 相连，示波器采用外触发方式，适半设置超声波实验仪衰减器的数值和示波器的电圧范用与 时间范闱，使示波器上看到的波形如图1.7所示。 在图1.7中，S 称为始波，t 0对应于发射超声波的初始时刻；Bl 称为 图1.7 直探头延迟的测虽 试块的1次底面回波，h 对应于超声波传播到试块底面，并被发射回来后，被超声波探头接 收到的时刻，因此h 对应于超声波在试块内往复传播的时间：B 2称为试块的2次底面冋波, 它対应于超声波在试块内往复传播到试块的上表面后，部分超声波被上表面反射，并被试块 底面再次反射，即在试块内部往复传播两次后被接收到的超声波。依次类推，右3次、4次 和多次底面反射回波。 从示波器上读出传播h 和t2,则直探头的延迟为 (1-6) 2. 脉冲波频率和波长的测量 调节示波器时间范闱，使试块的1次底面回波出现在示波屏的中央，脉冲波的振幅小于 IVO 测量两个振动波峰之间的时间间隔，则得到一个脉冲周期的振动时间t,则脉冲波的频 率为^1/t ：已知铝试块的纵波声速为6.32InInUS,贝IJ 脉冲波在铝试块中的波长为l=6.32t β 3. 波型转换的观察与测最 号时间范悅改变探头的入射角，并在改变的过程中适当移动探头的位宜，使每一个入射角 对应的R 2圆弧面的反射回波最 人。則在探头入射角由小变人的过 程中，我们町以先后观察到回波 B 1. B 2和B3;它们分别对应于纵 波反射回波、横波反射回波和表面 波反射回波。 让探头靠近试块背而，通过调节入 射角调，使能够同时观测到回波 BI 和（如图1.9）,且它们的幅 度基本相等：再让探头逐步靠近试 块正面,则又会在Bl 前面观测到一个回波bl ， 参照附录B 给出铝试块的纵波声速与横波声速，通过简单测量和计算，可以确定b 、Bl 和氏对应的波型和反射面。 4. 折射角的测量 确定Bi 、B?的波型后，町以分别测量纵波和横波的折射角。参照图Llo 首先让把探头 的纵波声束对正（回波幅度最人时为正对位宜）CSK-IB 试块 把超声波实验 仪换上町变角探头， 参照图1-8把探头 放在试块上，并使探 头靠近试块背面，使 探头的斜射声束只 打在 R2圆弧而上。 适当 设置超声波实 验仪衰减器的数值 和示波器 的电压范阖 CT ? V V R2 -C I ? 图1.8观察波型转换现彖
超声波检测实验
超声波检测实验 一、实验目标 1）了解超声波探伤仪的原理并学会使用CTS-22型超声波探伤仪 2）掌握现场测试超声仪器性能的基本方法，包括：垂直线性、水平线性、探伤仪与仪器的组合性能。 3）初步学会超声波探伤 二、实验仪器设备 CTS-22型超声波探伤仪1台 2.5MHZ直探头1只 平面锻件（工件）1块 ⅡW试块(荷兰试块) 1块 平底孔试块（CS-1试块）1块 三、实验原理 1. 超声传感器结构及原理 超声波传感器又称超声波探头或超声波换能器，是利用压电效应将电能转换为超声振动能，或将超声振动能转为电能的实验装置。在实际应用中，我们利用压电效应的可逆性，也可将换能器作为“发射”或“接收”兼用。亦即将交流电压加在压电元件上，使其向介质发射超声波，同时又利于它接收从介质反射回来的超声波，并将反射转换成电信号。 图4-1是超声波纵波换能器的结构图，压电晶片是换能器的主要元件。压电晶体的厚度与超声波的频率成反比，如铁钛酸铅的频率厚度常数为1890KHz/mm，压电片的厚度为1mm时，固有频率为1.89MHz。压电片的两面敷有银层，作为导电的极板，压电片的地面接地线，上面接导线引致电路中。 2. 超声检测的基本原理 超声检测是一种利用超声波在介质中传播的性质来判断工件和材料是否异常的检验和测量方法。在超声检测中，所使用的电声、声电换能器，主要是利用
压电效应制作的，直探头可发射和接受纵波，主要由压电晶片和保护膜组成。超声波是由发射电路即高频脉冲电路产生的高频电压，加在发射探头上。发射探头将电波变成超声波，传入工件中。超声在缺陷或介面上反射后回到接收探头，转变为电波后输入给接收电路进行放大、检波，最后加到示波管上显示出来。通过缺陷在荧光屏上横坐标的位置，可以对缺陷定位；根据缺陷波的高度可确定缺陷的大小。 四、实验数据整理与分析 1.测试超声波探伤仪的垂直线性误差 绘制衰减测量曲线： 垂直线性误差： ?=++-=≤ d d d [()()] 6.9%8% 满足ZBY-84 标准规定
超声波焊接工艺特点
超声波焊接的焊点，应有高的接合强度和合格的表面质量，除了表面不能有明显的挤压坑和焊点边缘的凸出以外，还应注意与上声极接触处的焊点表面情况，不允许有裂纹和局部未熔合，因此，超声波焊接的形式选择、接头设计和焊接参数选择非常重要。 一、超声波焊接特点 1) 可焊接的材料范围广，可用于同种金属材料、特别是高导电、高导热性的材料（如金、银、铜、铝等）和一些难熔金属的焊接，也可用于性能相差悬殊的异种金属材料（如导热、硬度、熔点等）、金属与非金属、塑料等材料的焊接，还可以实现厚度相差悬殊以及多层箔片等特殊结构的焊接。 2) 焊件不通电，不需要外加热源，接头中不出现宏观的气孔等缺陷，不生成脆性金属间化合物，不发生像电阻焊时易出现的熔融金属的喷溅等问题。 3) 焊缝金属的物理和力学性能不发生宏观变化，其焊接接头的静载强度和疲劳强度都比电阻焊接头的强度高，且稳定性好。 4) 被焊金属表面氧化膜或涂层对焊接质量影响较小，焊前对焊件表面准备工作比较简单。 5) 形成接头所需电能少，仅为电阻焊的5％；焊件变形小。 6) 不需要添加任何粘结剂、填料或溶剂，具有操作简便、焊接速度快、接头强度高、生产效率高等优点。超声波焊接的主要缺点是受现有设备功率的限制，因而与上声极接触的焊件厚度不能太厚，接头形式只能采用搭接接头，对接接头还无法应用。 二、超声波焊接的分类 超声波焊接分类按照超声波弹性振动能量传入焊件的方向，超声波焊接的基本类型可以分为两类：一类是振动能量由切向传递到焊件表面而使焊接界面产生
相对摩擦，这种方法适用于金属材料的焊接；另一类是振动能量由垂直于焊件表面的方向传入焊件，主要是用于塑料的焊接。常见的金属超声波焊接可分为点焊、环焊、缝焊及线焊；近年来，双振动系统的焊接和超声波对焊也有一定的应用。 （1）点焊点焊是应用最广的一种焊接形式，根据振动能量的传递方式，可以分为单侧式、平行两侧式和垂直两侧式。振动系统根据上声极的振动方向也可以分为纵向振动系统、弯曲振动系统以及介于两者之间的轻型弯曲振动系统。功率500W以下的小功率焊机多采用轻型结构的纵向振动；千瓦以上的大功率焊机多采用重型结构的弯曲振动系统；而轻型弯曲振动系统适用于中小功率焊机，它兼有上述两种振动系统的优点。 （2）环焊环焊方法如图5所示，主要用于一次成形的封闭形焊缝，能量传递采用的是扭转振动系统。焊接时，耦合杆4带动上声极5作扭转振动，振幅相对于声极轴线呈对称分布，轴心区振幅为零，边缘位置振幅最大。该类焊接方法最适合于微电子器件的封装工艺，有时环焊也用于对气密性要求特别高的直线焊缝的场合，用来代替缝焊。由于环焊的一次焊缝的面积较大，需要有较大的功率输入，因此常常采用多个换能器的反向同步驱动方式。 （3）缝焊与电阻焊中的缝焊类似，超声波缝焊实质上是由局部相互重叠的焊点形成一条连续焊缝。缝焊机的振动系统按其滚轮振动状态可分为纵向振动、弯曲振动以及扭转振动三种形式（图6）。其中最常见的是纵向振动形式，只是滚轮的尺寸受到驱动功率的限制。缝焊可以获得密封的连续焊缝，通常焊件被夹持在上下滚轮之间，在特殊情况下可采用平板式下声极。 （4）线焊它是点焊方法的一种延伸，利用线状上声极，在一个焊接循环内形成一条狭窄的直线状焊缝，声极长度就是焊缝的长度，现在可以达到150mm，这种方法最适用于金属薄箔的封口。 （5）双超声波振动系统的点焊：上下两个振动系统的频率分别为27kHz和20kHz（或15kHz），上下振动系统的振动方向相互垂直，焊接时二者作直交振动。当上下振动系统的电源各为3kW时，可焊铝件的厚度达10mm，焊点强度达到材料本身的强度。双超声波振动系统多用于集成电路和晶体管细导线的焊接，虽然焊接方法与点焊基本相同，但焊接设备复杂，要求设备的控制精度高，以便实现焊点的高质量和高可靠性焊接。
超声波的基本原理及传播特点 (1)
目录 摘要 (2) 引言 (3) 1.超声波的基本原理及传播特点 (4) 1.1什么是超声波 (4) 1.2超声波的基本原理 (4) 1.2.1压电效应及脉冲超声波的产生 (4) 1.2．2超声波波形 (5) 1.3超声波传播的特点 (6) 2.超声波的应用 (6) 2.1超声波在制浆造纸中的应用 (7) 2.2超声波传感器 (8) 2.3超声波测距 (9) 2.4超声波在医学诊断中的应用 (10) 2.5超声波在生物技术领域的应用 (11) 2.5.1用于培养液及药物的雾化 (11) 2.5.2提高种子发芽率和遗传物质的转化率 (11) 2.6超声波在军事中的应用 (11) 3. 结束语 (12) 参考文献 (12) 致谢 (13)
摘要 超声波是一种高能机械波，本文通过介绍超声波的产生机制和基本原理。让读者更深层次的认识超声波，文中根据超声波的自身特点从超声波传感器、超声波测距、及超声波在纸浆造纸中、医学诊断中、生物技术领域中、军事中的应用这六个方面进行详细讲述。超声波是一门年轻的学科，随着超声研究技术的不断成熟，未来将会更好的应用在生产生活中。 关键词：超声波；传感器；测距；医学诊断 Abstract Ultrasonic is a kind of high-energy mechanical wave, this paper introduces the basic principle of ultrasonic generation mechanism and give readers a deeper understanding of ultrasound, in this paper, according to the characteristics of ultrasonic sensors, ultrasonic distance measurement, and ultrasonic in pulp papermaking, medical diagnosis, in the field of biotechnology, the application of the military in these six aspects in detail. Ultrasonic is a young discipline, with the ultrasonic technology matures, the future will be better application in the production and living. Key words: ultrasonic ；the sensor ；ranging; medical diagnosis 引言 超声波最早被人类发现是在1793年由意大利科学家斯帕拉捷在蝙蝠身上发现其存在，随后的30多年里人们进行了有关超声波的产生机理方面的大量研究，直到1830年F ·Savar 用齿轮产生4104.2 HZ 的超声，首次实现了人类在人工控制下超声波的产生，开启了超声历史的新纪元，其他新技术如压电效应与逆压电效应的发现大大推动了超声波的快速发展，在随后的60年间，世界各地区有关超声技术的研究不断的取得突破性成果，20世纪的40年代超声技术开始应用于临床医疗方面，这也同样推动了人类医疗事业的发展，有关超声波在医学方面的应用与研究取得突破性进展，国际间也有过许多的交流与合作，共同推动了超声科技的发展和进步。我国在超声方面的研究相对落后于国际主流国家，我国由于当时特别的时期和特别的情况，20世纪60年代才开始超声方面的研究，有关超声学的相关研究始于也在这个时期真正开始，并且在随后的几年发展中取得了许多重要成果和重要的应用，如金属探伤、种子的培育、印染等。在基础研究方面也取得了重要进展，如研制出有关超声波在固体中衰减所用的检测设备，进行了有关超声乳化等课题的研究，研制出分子声学试验等设备，表面换能器的相关研究在1960年左右开始。改革开放的新时期，超声技术开始了实际应用之路，并且在该领域的一些列成果开始走进我们的生
几种常用的医学超声设备
A型超声诊断仪（amplitude） A型显示是一种最基本的显示方式，示波管上的横坐标表示超声波的传播时间，即探测深度；纵坐标则表示回波脉冲的幅度（amplitude），故称为A型。 用A型诊断仪可以测量人体内各器官的位置、尺寸和组织的声学特性，并用于疾病诊断。 M型超声诊断仪（motion） 它在A型超声诊断仪基础上发展来的一种最基本的超声诊断设备。 显像管上的亮度表示回波幅度，由A型回波幅度加到显像管Z轴亮度调制极上所控制；其纵轴表示超声脉冲的传播时间，即探测深度；显像管水平偏转板加一慢时间扫描电压。这样在做人体探查时，就构成一幅各回波目标的活动曲线图。 其在检查心脏时具有一系列优点，如对心血管各个部分大小、厚度、瓣膜运动的测量，以及研究心脏的各部分运动与心电图、心音图及脉搏之间的关系等，所以也称超声心动仪。 此外它还可以研究其他各运动界面的情况，并通过与慢时间扫描同步移动探头，做一些简单的人体断层图。 B型超声诊断仪（brightness） 其也称B型超声切面显像仪。它用回波脉冲的幅度调制显示器亮度，而显示器的横轴和纵轴则与声速扫描的位置一一对应，从而形成一幅亮度调制的超声切面图像。 D型超声多普勒诊断仪 它利用超声波传播过程中与应用目标之间的相对运动所产生的多普勒效应来探测运动目标，主要包括多普勒血流测量和血流成像两种。 目前的彩色血流成像（color flow imaging CFI）则是在实时B型超声图像中，以伪彩色表示心脏或血管中的血液流动。它是利用多次脉冲回波相关处理技术来取得血流运动信息，故常称为彩色多普勒血流成像（color Doppler flow imaging, CDFI）。 经颅多普勒（transcranial Doppler，TCD）诊断仪应用低频多普勒超声，通过颞部、枕部、框部及颈部等透声窗，可以显示颅内脑动脉的血流动力学状况。 C型和F型超声成像设备 它是在B型超声诊断仪的基础上发展起来的，主要用来获取与声束方向垂直或呈一定夹角的平面和曲线上的回波信息并成像。透射式C型成像类似普通X射线成像，反映了声束路径上所有组织总的超声特性，可分别利用总的超声衰减和传播时间进行C型成像。C型和F型扫描成像能提供一些B型超声成像不能获得的信息。 超声外科设备 超声外科学是继超声治疗和诊断之后出现的一个医用超声领域。它用较强的超声波粉碎眼部、肾部的病变组织并排出，如超声乳化白内障摘除等，以达到实施超声外科手术的目的。其优点是降低患者痛苦，缩短手术时间。 超声治疗设备 它主要利用组织吸收超声波能量等特性，即温热效应、机械效应和化学效应，达到治疗目的，目前超声加温治疗癌症是一个重要课题，利用环形相控换能器可方便的使声束聚焦于病变部位，使病变部位温度升高。相对于电磁波而言，超声治疗设备的声束方向与聚焦位置及声功率分布模式更便于控制。
大学物理实验：超声声速测定
超声声速测定 声波特性的测量，如频率、波长、声速、声压衰减、相位等，是声波检测技术中的重要内容。特别是声速的测量，不仅可以了解媒质的特性而且还可以了解媒质的状态变化，在声波定位、探伤、测距等应用中具有重要的实用意义。例如，声波测井、声波测量气体或液体的浓度和比重、声波测量输油管中不同油品的分界面等等。 “声速的测量”是一个综合性声学实验。实验中采用压电陶瓷超声换能器通过驻波法（共振干涉法）和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度，这是一个非电量电测方法的应用。通过这个实验可以重点学习如下内容：（1）实验方法：非电量的电测方法；测量声速的驻波法和相位比较法。（2）测量方法：利用示波器测量电信号的极大值和观察李萨如图形测量相位差的方法。（3）数据处理方法：求声波波长的逐差法。（4）仪器调整使用方法：双踪示波器和函数信号发生器的正确调节和使用方法。 【实验目的】 1.学习用驻波共振法和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度。 2.了解压电换能器的功能。 3.学习用逐差法处理数据。 【实验仪器】 SVX-5型声速测试仪信号源、SV-DH系列声速测试仪、双踪示波器等
【实验原理】 频率介于20Hz ～20kHz 的机械波振动在弹性介质中的传播就形成声波，介于20kHz ～500MHz 的称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射和会聚等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20KHz ～60kHz 之间。在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器、效果最佳。 根据声波各参量之间的关系可知f ?=λυ,其中υ为波速, λ为波长,f 为频率。 图4-5-1共振法测量声速实验装置 在实验中,可以通过测定声波的波长λ和频率f 求声速。声波的频率f 可以直接从低频信号发生器(信号源)上读出,而声波的波长λ则常用相位比较法(行波法)和共振干涉法(驻波法)来测量。 图4-5-2 相位比较法测量声速实验装置 1.相位比较法 实验装置接线如图4-5-2所示，置示波器功能于X －Y 方式。当S1发出的平面超声波通过媒质到达接收器S2，合成振动方程为：
超声波纸浆特性及其抄造性能的研究
超声波纸浆特性及其抄造性能的研究 超声波制浆技术是一种新型的制浆技术,其生产工序简短,节能减排明显,生产的纸浆得率高、物理性能良好。为了推广超声波制浆技术的应用,本文对超声波麦草浆纤维素和残留木质素进行分析,并研究超声波麦草浆性能特点及其配抄文化用纸的适应性。研究结果如下：超声波麦草浆光学与物理性能较好,白度77.8%ISO,纤维平均长度0.754mm,纤维平均宽度29.5 μ m,耐破指数 3.08kPa·m2/g,撕裂度3.98mN · m2/g,抗张指数30.49N·m/g,耐折度29次,与漂白碱法草浆近似,优于杨木APMP化机浆。 超声波麦草浆残余木质素的羰基含量远低于烧碱蒽醌法麦草浆,所以超声波麦草浆白度较好。原因是超声波制浆过程中的中性和温和的反应环境,减少了酚羟基和醌基的形成。超声波纸浆残余木质素中的总酚羟基含量远低于烧碱蒽醌法麦草浆木质素。 与超声波制浆技术相比,烧碱蒽醌法制浆破坏性更大,引起更多的芳基醚键和甲氧基断裂,进而形成更多的酚羟基。另外,超声波纸浆中的羧基含量(0.52 mmol/g)多于未漂白化学浆(0.3 mmol/g)本文对利用超声波麦草浆和杨木化学浆进行了双胶纸和新闻纸配抄实验研究,研究结果如下：双胶纸配抄比例为超声波纸浆：杨木化学浆=50：50,AKD施胶量为0.8%,CPAM添加量为0.2%,碳酸钙添加量为8.0%~12.0%,表面施胶选用CS-1表面施胶剂、硫酸铝(浓度30%,用量2kg/t)和氧化淀粉(浓度10%,用量1.5g/m2)配合进行,表面施胶剂最佳添加量为 0.14g/m2。根据优化工艺配抄的双胶纸经过压光,其吸水性为34.02g/m2,白度为80.9%ISO,不透明度为93%,印刷适应性为2.8m/s,平滑度为38.56s,抗张指数为36.3N · m/g,耐折度18次。
超声基础知识
超声基础部分 1．何谓超声波?诊断用超声波是如何产生的? 人耳能感知的声波频率范围为20—20000Hz。低于20Hz者称为雌声波，高于20000Hz者称为超声波。医用诊断用超声波的范围多在1—15MHz。 超声波是机械波。可由多种能量通过换能器转变而成。医用超声波是由压电晶体（压电陶瓷等）产生。压电晶体在交变电场的作用下发生厚度的交替改变，即机械振动。其振动频率与交变电场的变化频率相同。当电场交变电频率等于压电晶片的固有频率时其电能转换为声能（电—声）效率最高，即振幅最大。 压电晶体只有两种可逆的能量转变效应。上述在交变电场的作用下，由电能转换为声能，称为逆压电效应。相反，在声波机械压力交替变化的作用下，晶体变形而表面产生正负电位交替变化，称压电效应。 超声探头(换能器)中的压电晶片,在连接电极电压交替变化的作用下产生逆压电效应,称为超声发生器;而在超声波机械压力下产生压电效应,又成为超声波接收器。这是超声波产生和接收的物理学原理。 2．超声波物理特性及其在介质中传播的主要物理量有哪些？它们之间有何关系？ （1）频率（frequency）：质点单位时间内振动的次数称为频率（f）。 （2）周期（cycle）：波动传播一个波长的时间或一个整波长通过某一点的时间（T）。 （3）波长（wavelength）：声波在同一传播方向上，两个相邻的相位相差2π的质点间的距离为波长（λ）。 （4）振幅（amplitude）:振动质点离开平衡位置的最大位移称振幅，或波幅（A）。 （5）声速（velocity of sound,sound velocity）:单位时间内，声波在介质中传播的距离称声速（C）。介质不同，超声在介质中的声速度也不同，但是在同一介质中，诊断频段超声波的声速可认为相同。声波在介质中的传播速度与介质的弹性系数（k）和介质密度（ρ）有关。其声速与k和ρ比值的平方根成正比，即 式中C为声速，E为杨式模量。 根据物理学意义，c、f、T、λ之间有下列关系： f＝1/T，c＝λf＝λ/ T，λ＝c/ f 超声在人体软组织（包括血液、体液）中的声速约为1540m/s；骨与软骨中的声速约为软组织中的2.5倍；而在气体中的声速仅为340m/s左右。 近年来的研究发现，不仅离体组织与活体组织有较大的声速差别，而且使用不同的固定溶液、固定速度也常影响声速。此外，声速尚与组织温度有关。通常，非脂肪组织的声速随温度上升而增快，脂肪组织的声速随温度上升而减慢。当脂肪组织由20o升到40o时，声速可下降15％之多。在进行精细的研究工作时，这些因素必须予以注意。 （6）超声能量与能量密度：当超声波在介质中传播时，声波能到达之处的质点发生机械振动和位移。前者产生动能而后者产生弹性势能。动能和势能之和组成波动质点的总能量。也即超声波的能量。声波在介质中传播的过程，也是能量在介质中传递的过程。 设介质的密度为ρ,声波传播到的质点体积元为△V，其位移为x，△V将鞠有的动能为Wk，产生的势能为Wp。则： Wk＝Wp＝1/2ρA2ω2（△V）sin2ω（t－x/c） △V具有的总能量为： W＝Wk+ Wp＝ρA2ω2（△V）sin2ω（t－x/c） 从表达式中可以看出超声波传播过程中总能量传递方式为：①介质振动质点的动能和势能随时间同时发生周期性变化。②振动质点以获得能量又向下一质点放出（传递）能量的方式传递声波。