石河子大学理学院实习“千里传音”实验演示目录 I前言早在 1880 年的时候，居里兄弟就发现了压电效应。一般认为,关于超声波的研究最初起始于1876年F.Galton的气哨实验。当时Galton哨在空气中产生的频率达30000Hz,这是人类首次有效产生的高频声波。到了 1917 年，科学家们成功研制了首个压电式超声波发射器。这些年来,随着超声波技术研究的不断深入,在加上其具有的高精度、无损、非接触等优点,超声波的应用变得越来越普及。目前已经广泛地应用在机械制造、电子冶金、航海、宇航、石油化工、交通等工业领域。此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。本实验通过用音频信号对超声波进行调制的原理进行“传音”：先将音乐信号用调制的方法加到超声波上，因人耳听不到超声波的声音，所以将此调制超声波从压电换能器上发出时，人耳不能察觉。但在另外一个地方用另一个超声换能器接收到这个信号后再经过电路的解调制，把原来的音乐信号再检出来，就可通过扬声器把音乐播放出来了。1超声信号的发射与接收1.1超声波介绍超声波简单的说就是音频超过了人类耳朵所能够听到的范围。一般而言是指声音超过了20KHz以上时称之为超声波。与光波不同,超声波是一种弹性机械波,它可以在气体、液体和固体中传播。我们知道,电磁波的传播速度为3x108m/S,而超声波在空气中的传播速度为340m/s,其速度相对电磁波是非常慢的。超声波在相同的传播媒体里(如大气条件)传播速度相同,即在相当大的频率范围内声速不随频率变化,波动的传播方向与振动方向一致,是纵向振动的弹性机械波,它是借助于传播介质的分子运动而传播的,波动方程描述方法与电磁波是类似的:式中,A(x)为振幅,A0为常数,w为圆频率,t为时间,:为传播距离,k=2二/兄为波数,A为波长,a为衰减系数。衰减系数与声波所在介质及频率的关系为:式中,a为介质常数,f为振动频率。在空气里,。a=2x10- 13s2/cm,当振动的声波频率f=40kHz(超声波)代入上式,可得a=3.2x10-4 s2/cm,即1/a=31m:若f=3okHz,则1/a=56m。它的物理意义是:在(1/a)长度上,平面声波的振幅衰减为原来的e分之一,由此可以看出,频率越高,衰减得越厉害,传播的距离也越短。声波在空气媒质里传播,因空气分子运动摩擦等原因,能量被吸收损耗。1.1.1 超声波传播的速度 由于超声波也是一种声波,超声波在媒质中传播的速度和媒质的特性有关。理论上,在13的海水里声音的传播速度为1500m/s。在盐度水平为3.5%。,深度为om,温度为0的环境下,声波的速度为1449.3 m/s。声音在25空气中传播速度的理论值为344 m/s,这个速度在O时降为334 m/s。声波传输距离首先和大气的吸收性有关,其次温度、湿度、大气压也是其中的因素,而这些因素对大气中声波衰减的效果比较明显。温度是和其他常数一样决定声音速度的第二因素。它和温度的关系可以用以下公式来表示:C=331.45+0.61T(米/秒)。在使用时,如果温度变化不大,则可认为声速是基本不变的。1.1.2超声波的传播特点1超声波传播时方向性强,能量容易集中 2超声波可以在各种不同媒质中传播,而且可以传播较远的距离3超声与媒质的相互作用适中,易于携带与传声媒质有关的状态信息(超声诊断或产生传声媒质效应)超声波是一种波动形式,既可以作为负载信息的载体或媒介,又是一种能量转化形式,.1.2压电换能器的结构与工作原理1.2.1压电效应与逆压电效应当某些电介质晶体受到外力作用而发生形变时,在它的某些表面上会出现异号极化电荷,这种没有电场的作用,只是由于应变或应力而在晶体内产生电极化的现象就称之为正压电效应或称压电效应当应力不太大时,由压电效应产生的极化强度与应力成线性关系;当在压电晶体上施加一电场时,晶体不仅要产生极化,还要产生应变和应力,这种由电场产生应变或应力的现象称为逆压电效应当施加的电场不是很强时,应变与外电场呈线性关系 简而言之,压电晶体在受外力作用时可以产生电荷;而当给压电晶体外加一电场时,压电晶体又会发生相应的形变,这便是压电效应压电效应是由居里兄弟(JaequeSandpierreCurie)首先在a石英晶体上发现的压电效应反应了晶体的弹性性能与介电性能之间的藕合,一种晶体的正压电效应和逆压电效应通常是同时存在且是可逆的.相比较而言,压电体逆压电效应应用范围更为广泛,在机械领域中亦是如此这种超声振动则是由压电陶瓷通过其逆压电效应实现的即在交变电场的作用下,压电陶瓷会随之产生交变的机械振动,从而使与之相固连的金属体也发生同频率下的振动,同样,在超声频域的电场作用下就会产生超声振动.1.2.2压电材料与压电陶瓷具有压电效应和逆压电效应的一类晶体被称作压电材料,或称压电体。从居里兄弟发现石英晶体具有压电性开始,压电材料的研究和开发就迅速展开,各种新型的压电材料不断地被研制出来并得以应用,目前已知的压电材料多达几十种之多早期的石英!电气石等单晶压电材料,其压电性能一般,因而在应用方面受到很大的限制;1947年,多晶体压电陶瓷材料BaTio出现;随后,具有良好压电、介电及稳定性能的错钦酸铅(PZT)新型压电材料的发现使得压电陶瓷的应用范围进一步扩展。压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体,属于无机非金属材料由于它的生产工艺与陶瓷的生产工艺(如原料粉碎!混合!成型以及高温烧结等)相似,因而得名压电陶瓷是一种能够实现机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料压电材料是一类重要的!国际竞争极为激烈的高技术新材料自压电效应被发现后,压电材料和压电器件的研究和生产发展极为迅速,据统计,仅2000年全球压电陶瓷销售额约达30亿美元以上,且销售量以15%左右的速度逐年增长。压电材料作为机、电、声、光热敏感材料,在换能器!传感器、无损检测和通讯技术等领域已获得了广泛的应用,世界各国都高度重视压电陶瓷材料的研究和开发近些年来,国内外研究和开发压电材料的主要方向和热点是:弛豫铁电单晶(简称PMN一PT)!压电复合材料!高居里温度压电陶瓷、三元系及多元系压电陶瓷、压电薄膜、细晶粒压电陶瓷和无铅压电陶瓷等工,1.2.3压电陶瓷的功用压电陶瓷由于它的压电性以及由此引起的机电性能的多样性获得了广泛应用一般可将这些应用分成两大类:一是作为压电振子使用,此时,要求压电陶瓷材料有好的频率温度稳定性及较高的机械品质因数;二是作为换能器使用,此时,要求有较高的机电祸合系数和较大的相对介电常数压电陶瓷的应用涉及军事!航天!生物!医药等多种领域,各国从事压电方面研究的科研人员也在不断努力地拓展新的研究方向。此外,有关压电陶瓷方面的应用也会随着压电材料的发展而不断前进目前,其应用大致可归纳为以下几个方面：(1)实现能量转换利用压电陶瓷的正压电效应,压电陶瓷可以将机械能转换为电能,故可用于制造如压电打火机、压电发光扇、压电开关以及炮弹引爆装置等;利用其逆压电效应,压电陶瓷则可以把电能转换为超声振动,从而制成各种超声波换能器,应用于目标探测、对金属进行无损探伤以及超声清洗!超声医疗等。在本文的研究中,利用压电换能器作为超声波的发生源,和接收源形，实现对音频信号的解码和编码,从而构造超声波能量传递、转换系统,也是能量转换方面的一种应用。(2)压电传感器压电陶瓷具有较高的灵敏度,由压电陶瓷制成的压电薄膜传感器传感器可用来检测微弱的机械振动并将其转换为电信号,压电陶瓷在这一方面的优良性能使之可以应用于声纳系统!气象探测!遥感遥测以及环境保护等方面。(3)压电驱动器压电驱动器是利用压电陶瓷的逆压电效应,使压电陶瓷或者由压电陶瓷制成的压电振子(压电双晶片!压电叠堆等)产生形变,以达到精确地控制输出位移或输出力的作用利用压电陶瓷的这一特性,可以制成诸如纳米级精密位移驱动器!微型压电泵、压电伺服阀等压电驱动器,用于精密仪器与精密机械、微电子技术、光纤技术及生物工程等领域(4)频率控制器件压电陶瓷还可以用来制造各种滤波器和谐振器,广泛应用于通讯!电子!电器等方面超声信号传输的实验研究1.2超声波的传播特性超声波传播状况，主要由声速、声衰减和声散射这三个方面来体现出来的，这里将分别进行讨论。（1）超声波在液体中的传播声速与温度的关系当超声平面波在液体媒质中传播时，液体媒质中纵波声速为式中 E 为液体的体积弹性模量， 为媒质的密度。在同一介质中声速与温度、压力等环境因素有关，但声速与介质的温度关系密切，温度的变化对声速影响最大。（2）超声波在液体介质中的吸收超声波在媒质中传播时，如果有一部分声能不可逆转的转换成媒质的其他形式的能量，对超声波来说就是有一部分能量被吸收了。微观声学的研究表明有两类吸收机构。第一类是共振吸收，当超声频率与媒质中微观结构中某种过程的本质频率相符时，就出现共振吸收。在这一频率时，吸收衰减系数突然增大，声速则先突然下降再突然上升然后回至原始值。这类共振吸收的频率往往极高，在一般工业测量技术所使用的超声频率范围内，还不会出现这一吸收。第二类是驰豫吸收。广义的说，凡伴有从一种状态到另一状态的能量转换过程，如果状态改变的速率是与状态间的差成正比，且过程是按指数规律逐步趋近的，就都可称为驰豫过程。声波在媒质中传播时，热传导和切变粘滞吸收都是驰豫过程。（3）超声波在液体介质中的衰减超声波在液体中传播时，如果液体中含有大量散射粒子（如悬浮粒子、小气泡等），则一部分超声波将被散射开来，不再沿原来方向前进，仅有余下的一部分是沿着原方向继续前进，这样就形成了散射衰减。散射衰减的问题很复杂，既与散射粒子的形状、尺寸和多少有关，还与媒质的性质和散射粒子的性质有关。1.3超声波回波信号检测超声检测物体的所运用的原理是：超声波在物体中进行传播的时候，遇到裂纹、气孔等不同的界面会反射回不同的声信号，主要分成两种类别，第一种是脉冲反射法，第二种是脉冲透射法。（1）脉冲反射法脉冲反射法是指：超声波的探头发射出脉冲波到被检测物体内，再依据反射波的具体情况来检测物体存在的缺陷。脉冲反射法是最常用且最基本的一种方法。其具体的检测原理是：把由高频脉冲发生器产生出来的高频脉冲加到超声波的探头上，让探头产生超声波，再通过耦合剂把超声波传输到物体的内部。通过对发射脉冲 T 与底面回波 B的分析确定超声信号变化。（2）脉冲透射法一般采用两个探头，分别放到试件的两侧，一个探头把脉冲发射到试件中，而另一个探头则用来接收穿透试件之后返回的脉冲信号。脉冲透射法主要根据脉冲波穿透试件前后的能量变化来确定物体的性质。 超声波的应用3.1超声检验超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术。把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息（如对声波的反射、吸收和散射的能力），经声透镜汇聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。上述装置称为超声显微镜。超声成像技术已在医疗检查方面获得普遍应用，在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查，在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。声全息术是利用超声波的干涉原理记录和重现不透明物的立体图像的声成像技术，其原理与光波的全息术基本相同，只是记录手段不同而已（见全息术）。用同一超声信号源激励两个放置在液体中的换能器，它们分别发射两束相干的超声波：一束透过被研究的物体后成为物波，另一束作为