超声波的发射与接收

第二节　超声波的发射与接收

声波与振动

声波的本质是机械振动的传播，因此产生声波的声源可以是一个机械振动源。声学的基本理论在于研究振动与波的传播。

如果质点振动的方向与波的传播方向相同，就称为纵波。如果质点振动方向和波的传播方向垂直，就称为横波。在气体和液体中，由于介质只有体变弹性，而没有切变弹性，所以在流体中只能传播纵波。在固体中除了可以传播纵波之外，还可以传播横波。可闻声波在空气中的传播是典型的纵波（见图11）。

11　声音传播过程中空气蔬密的变化

一般情况下只要能在介质中产生超声振动就能产生超声波。超声的传播速度决定于介质的弹性模量和密度。

超声的获得

1.压电效应

将某些单晶材料沿一定的方向切割成片，当有交变机械力作用在晶体薄片上引起厚度发生变化时，就能使晶体薄片两面产生异号束缚电荷，束缚电荷的多少与所受压强成正比，从而将机械振动转变为电振动，这种现象称为压电效应，也称正压电效应（见图12）。

图12　正压电效应

与上述情况相反，如果将压电材料置于高频交变电场中，则压电材料将按电场变化的频率发生伸缩的振动形变，称为逆压电效应。当这种振动频率超过了20kHz，便产生超声波。压电效应可用简单的方程式来描述：

正压电效应VR＝gtp

逆压电效应（△t）T＝dVT

这里，p是传来声波的声压；t是片厚；VR是由声压在压电片上产生的电压；vT是外加电压；（△f）T是压电片因电压VT产生的厚度变化；g和d是比例常数。压电片是指由压电单晶按特定规格切割出来的片子。

2.压电材料

哪些材料具有压电效应，哪些材料可以是压电材料？其实，这类材料很常见。如丝、羊毛、木料、骨头等，不过它们的压电效应很微弱，早期发现的一些特殊单晶体，其压电效应足够强，可以用作超声发生器，如石英单晶。

1917年4月法国物理学家朗之万第一次就是利用石英单晶获得了频率为150kHz的超声。目前使用的压电材料已大大改进，广泛应用人工制造的压电陶瓷。陶瓷比单晶有很多优点：陶瓷生产工艺简单，成本低，易于制成多种式样、大小不同的元件，如用得较多的是锆钛酸铅（简称PZT）。用多个条式压电陶瓷片列成一横排而成为阵列，构成多阵元探头，配上适当的电子线路，就成为医院里用的B超仪。压电材料的另一项进展是把高聚合物薄膜转化为压电材料，这类压电材料性能优越，生产工艺简单。

3.超声发生器

现代超声发生器主要由两部分组成，如图13所示。一部分是高频（超声频）发生装置，通常由电子电路组成，其主要功能是产生超声频电振荡。另一部分是换能器，它的主要功能是使超声频电振荡转变为超声频机械振动，即达到产生超声振动的目的。

图13　超声波发生器

为了使用方便，通常把压电片连同附加元件包装起来，就变成超声探头或超声换能器。超声换能器既能产生超声，又能接收超声，可以将声能和其他形式的能量（如电能、磁能等）互相讲行转换。韶声换能器的种类很多，图14是一种比较典型的一种超声探头。图中压电片的后面有背衬，是为了让压电片不仅从前面辐射声波，也从后面辐射声波，从而进一步加宽压电片的频带。

图14　典型的超声探头