超声波原理和特性

　　声学是研究声波在物质中传播、散射、辐射与接收的规律及其应用的自然学科，是物理学的一个重要分支。现代声学与物理学其他分支学科以及信息科学、地球科学与生命科学相互交叉与渗透。

　　超声波作为信息的载体和遥测遥感的手段，使得超声波在国民经济与国防建设中具有重大应用价值。超声波的应用在现代军事上、工业上、医学上、服务业上等领域有着举足轻重的地位。

超声波原理：

　　在弹性介质中，如果波源所激起的频率，在20Hz到20000Hz之间，就能引起人的听觉。在这一频率范围内的振动称为声振动，由声振动所激起的纵波称为声波。超声波是以人耳能听到的声波频率为基准，其频率高于20000Hz，为不可闻的声波称为超声波，超声波频率可高达10¹¹Hz。

　　1、超声波是机械波在传播过程中其能量可为介质吸收而衰减。在均匀介质中平面波通过极薄的厚度为dx一层介质后振幅的减弱(-dA)应正比于此处的振幅A，也正比于这厚度dx，即

　　-dA=μAdx

　　比例系数μ与介质的性质和波动的频率有关，称为介质的吸收系数。经过积分得

　　A=A₀e^-μx

　　由于波的强度与振幅的平方成正比，所以平面波强度衰减的规律是

　　I=I₀e^-2μx

　　上式表明，波的强度随着传播距离的增加按指数规律衰减。

　　2、波的反射和折射。声压的幅值为

　　P_m=Aωρv

　　式中ρ为介质密度，v为介质波速。Aω=u_m是介质质元振动的幅值。设Z=ρv，则P_m/u_m=Z，即当声压幅值P_m确定时，Z值增大，则u_m减小，形式上和欧姆定律相似，Z和电阻相当，故称之为介质的声阻抗。

　　声波在两种不同介质的分界面上将发生反射和折射。反射声波和入射声波的声强之比I₁/I₀称为声波的反射系数，用β表示，当声波垂直入射到分界面上时

　　β=[(Z₂-Z₁)/(Z₂+Z₁)]²

　　式中Z₁=ρ₁v₁，Z₂=ρ₂v₂分别表示介质1和2的声阻抗。折射声波和入射声波的声强度之比I₂/I₀称为折射系数，用α表示，声波垂直入射时

　　α=4Z₁Z₂/(Z₁+Z₂)²

　　当Z₂>>Z₁或Z₂<<Z₁时，声波的反射系数β=1，声波在分界面上几乎发生全反射现象。例如空气和人体软组织的声阻抗相差很大，β≈1，因此，在超声诊断疾病时，若直接将探头放在人体软组织上，则超声波几乎被全反射，不能进入人体，所以要在探头与人体间涂上石蜡油作为耦合剂，使β降低。

超声波特性：

　　超声波与可闻声波相比，由于频率高、波长短，因而具有如下特性:

　　1、方向性好。由于超声波频率高，波长短，衍射现象不显著，所以超声波的传播方向性好，容易得到定向而集中的超声波束。超声波的这一特点，既便于定向发射以寻求目标，又便于聚焦以获得较大的声强。

　　2、功率大。根据声波的声强公式

　　I=½ρuA²ω²

　　声强I与振动频率ω的二次方成正比.超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率越高功率越大。因此，超声波的功率可以比一般声波的功率大得多。大功率超声简称功率超声。

　　3、穿透力强。实验指出，超声波在气体中衰减很强，而在液体和固体中衰减很小，介质的吸收系数随波的频率增大而增大，所以当超声波的频率增加时，穿透本领会下降，为此在不同的应用中应选用适当的频率但因其声强大，且能量集中，故有较强的穿透本领。在不透明的固体中，超声波能穿透几十米的厚度。超声波碰到杂质或介质分界面有显著的反射。

　　4、引起空化作用。超声波在液体中传播时由于超声波与声波一样是一种疏密的振动波，在传播过程中，液体时而受拉时而逐级压。液体能耐压，而承受拉力的能力很差。当超声波的波强度足够大时，液体因承受不住拉力而发生断裂(特别是在含有杂质和气泡的地方)，从而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。在崩溃过程中，空穴内部可达几千摄氏度的高温和几千个标准大气压的高压。此外，在小空穴形成过程中，由于摩擦而产生正、负电荷，在空穴崩溃时，产生放电、发光现象。超声波的这种现象，称为空化作用。