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超声波专题实验论文报告 运输学院 运输1109班丁耀宗 摘要： 本文第一部分主要介绍超声波产生与传播及其原理，包括什么是超声波、波的传播、超声波传播的特点。第二部分简要介绍了本专题实验中的一些要点。第三部分主要介绍超声波技术发展及其应用，包括超声波传感器、超声波测距、超声波测量流量、超声波提取技术、超声波在军事中的应用、超声波技术在纳米材料制备中的应用、超声波在医疗方面的应用。 关键词： 超声波　产生及传播原理　实验要点　发展及其应用 超声波的产生和传播原理 ⒈什么是超声波： 声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动形式。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。超声波是指振动频率大于20000Hz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（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。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。 ⒉超声波的种类及特点： 　　超声波是波的一种，他的传播完全符合波的传播特点。所以超声波在介质中传播的波形取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质激发超声波。通常有如下三种波形: 纵波波形： 当媒质中各体元振动的方向与波传播的方向平行时，此超声波为纵波波形。任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。 横波波形： 当媒质中各体元振动的方向与波传播的方向垂直时，此种超声波为横波波形。由于媒质除了能承受体积变形外，还能承受切变变形，因此，当其有剪切应力交替作用于媒质时均能产生横波。横波只能在固体介质中传播。 表面波波形： 是沿着两种媒质的界面传播的具有纵波和横波的双重性质的波。表面波可以看成是由平行于表面的纵波和垂直于表面的横波合成, 振动质点的轨迹为一椭圆，在距表面1/4波长深处振幅最强，随着深度的增加很快衰减，实际上离表面一个波长以上的地方，质点振动的振幅已经很微弱了。 ⒊超声波的波形转换： 由超声波的定义可知，超声波是一种声波，所以它具有波的性质，即反射和折射。实验中采用直探头产生纵波，斜探头产生横波或表面波。超声波在界面上的反射、折射和波型转换满足如下斯特令折射定律： 我们用一个可变角探头来研究它们的转换过程及临界角 把可变角探头的入射角调整为0，使超声波入射在试块两个圆弧R1和R2的下部边缘，观察反射回波，确定其波型（纵波）。横向移动探头，观察其位置如何变化。 增大可变角探头入射角，注意回波幅度的变化。当入射角达到某一值后，纵波的幅度会减小，在其后面又会出现两个回波，并且幅度不断增大，确定其波型（横波）。横向移动探头，观察其位置如何变化。可变角探头入射角增加到某值时，纵波消失，只剩横波 可变角探头入射角继续增加，横波幅度减弱并消失，在此过程中又会出现两个回波，确定其波型（表面波）。用手指轻压试块表面，观察其幅值如何变化。 ４．超声波的传播特点： 　　总的来说与可闻波相比,超声波由于频率高、波长短,在传播过程中具有许多其特有的性质: 1)方向性好。由于超声波的频率高,其波长较同样介质中的声波波长短得多,衍射现象不明显,所以超声波的传播方向好。 2)能量大。超声波在介质中传播,当振幅相同时,振动频率越高能量越大。因此,它比普通声波具有大得多的能量。 3)穿透能力强。超声波虽然在气体中衰减很强,但在固体和液体中衰减较弱。在不透明的固体中,超声波能够穿透几十米的厚度,所以超声波在固体和液体中应用较广。 4)引起空化作用。在液体中传播时,超声波与声波一样是一种疏密的振动波,液体时而受拉时而逐级压,产生近于真空或含少量气体的空穴。在声波压缩阶段,空穴被压缩直至崩溃。在空穴崩溃时产生放电和发光现象,这种现象称为空化作用。 也正是这些特点，使得超声波在工业、农业、医学、军事等众多方面都有着及其广泛的应用。 二、超声波专题实验要点 I 测声速（纵波声速和横波声速）： 纵波声速：试块的厚度为L. 纵波声速为：CL= 延迟为: 横波声速：两个圆弧的半径长分别为R2和R1 试块横波声速为：CS= 延迟为： II 测量试块的杨氏模量和泊松系数： 通过测量试块的纵波声速和横波声速可以计算试块的杨氏模量和泊松系数。 超声波速度与传播介质的弹性模量和密度有关，不同的介质，有不同的声速；并且当波型不同时，介质弹性形变形式不同，声速也不一样。 在各同向性固体介质中，各种波型的超声声速为： 纵波声速： 横波声速：