超聲波的產(chǎn)生

Ⅷ.超聲波的產(chǎn)生

能夠產(chǎn)生超聲波的方法很多，常用的有壓電效應(yīng)方法、磁致伸縮效應(yīng)方法、靜電效應(yīng)方法和電磁效應(yīng)方法等。我們把能夠?qū)崿F(xiàn)超聲能量與其他形式能量相互轉(zhuǎn)換的器件稱為超聲波換能器。 一般情況下，超聲波換能器既能用于發(fā)射又能用于接收。

在本專題實(shí)驗中，我們采用壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超聲波信號與電信號的轉(zhuǎn)換，即壓電換能器，它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。

某些固體物質(zhì)，在壓力（或拉力）的作用下產(chǎn)生變形，從而使物質(zhì)本身極化，在物體相對的表面出現(xiàn)正、負(fù)束縛電荷，這一效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。

物質(zhì)的壓電效應(yīng)與其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有關(guān)。如石英晶體的化學(xué)成分是SiO2，它可以看成由+4價的Si離子和-2價O離子組成。晶體內(nèi)，兩種離子形成有規(guī)律的六角形排列，如圖Z1-1所示。其中三個正原子組成一個向右的正三角形，正電中心在三角形的重心處。類似，三個負(fù)原子對（六個負(fù)原子）組成一個向左的三角形，其負(fù)電中心也在這個三角形的重心處。晶體不受力時，兩個三角形重心重合，六角形單元是電中性的。整個晶體由許多這樣的六角形構(gòu)成，也是電中性的。

當(dāng)晶體沿x方向受一拉力，或沿y方向受一壓力，上述六角形沿x方向拉長，使得正、負(fù)電中心不重合。盡管這是六角形單元仍然是電中性的，但是正負(fù)電中心不重合，產(chǎn)生電偶極矩 。整個晶體中有許多這樣的電偶極矩排列，使得晶體極化，左右表面出現(xiàn)束縛電荷。當(dāng)外力去掉，晶體恢復(fù)原來的形狀，極化也消失。（許多大學(xué)物理教材都有關(guān)于電極化理論的介紹）

由于同樣的原因，當(dāng)晶體沿y方向受拉力，或沿x方向受壓力，正原子三角形和負(fù)原子三角形都被壓扁，也造成正、負(fù)電中心不重合。但是這時電偶極矩的方向與x方向受拉力時相反，晶體的極化方向也相反。這就是壓電效應(yīng)產(chǎn)生的原因。

當(dāng)外力沿z軸方向（垂直于圖Z1-1中的紙面方向），由于不造成正負(fù)電中心的相對位移，所以不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。由此可見，石英晶體的壓電效應(yīng)是有方向性的。

當(dāng)一個不受外力的石英晶體受電場作用，其正負(fù)離子向相反的方向移動，于是產(chǎn)生了晶體的變形。這一效應(yīng)是逆壓電效應(yīng)。

還有一類晶體，如鈦酸鋇（BaTiCO3），在室溫下即使不受外力作用，正負(fù)電中心也不重合，具有自發(fā)極化現(xiàn)象。這類晶體也具有壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，它們多是由人工制成的陶瓷材料，又叫壓電陶瓷。本實(shí)驗中超聲波換能器采用的壓電材料為壓電陶瓷。

脈沖超聲波的產(chǎn)生及其特點(diǎn)

用作超聲波換能器的壓電陶瓷被加工成平面狀，并在正反兩面分別鍍上銀層作為電極，這樣被稱為壓電晶片。當(dāng)給壓電晶片兩極施加一個電壓短脈沖時, 由于逆壓效應(yīng)，晶片將發(fā)生彈性形變而產(chǎn)生彈性振蕩, 振蕩頻率與晶片的聲速和厚度有關(guān), 適當(dāng)選擇晶片的厚度可以得到超聲頻率范圍的彈性波, 即超聲波。在晶片的振動過程中，由于能量的減少，其振幅也逐漸減小，因此它發(fā)射出的是一個超聲波波包，通常稱為脈沖波，

超聲波的產(chǎn)生

Ⅷ.超聲波的產(chǎn)生

能夠產(chǎn)生超聲波的方法很多，常用的有壓電效應(yīng)方法、磁致伸縮效應(yīng)方法、靜電效應(yīng)方法和電磁效應(yīng)方法等。我們把能夠?qū)崿F(xiàn)超聲能量與其他形式能量相互轉(zhuǎn)換的器件稱為超聲波換能器。 一般情況下，超聲波換能器既能用于發(fā)射又能用于接收。

在本專題實(shí)驗中，我們采用壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超聲波信號與電信號的轉(zhuǎn)換，即壓電換能器，它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。

某些固體物質(zhì)，在壓力（或拉力）的作用下產(chǎn)生變形，從而使物質(zhì)本身極化，在物體相對的表面出現(xiàn)正、負(fù)束縛電荷，這一效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。

物質(zhì)的壓電效應(yīng)與其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有關(guān)。如石英晶體的化學(xué)成分是SiO2，它可以看成由+4價的Si離子和-2價O離子組成。晶體內(nèi)，兩種離子形成有規(guī)律的六角形排列，如圖Z1-1所示。其中三個正原子組成一個向右的正三角形，正電中心在三角形的重心處。類似，三個負(fù)原子對（六個負(fù)原子）組成一個向左的三角形，其負(fù)電中心也在這個三角形的重心處。晶體不受力時，兩個三角形重心重合，六角形單元是電中性的。整個晶體由許多這樣的六角形構(gòu)成，也是電中性的。

當(dāng)晶體沿x方向受一拉力，或沿y方向受一壓力，上述六角形沿x方向拉長，使得正、負(fù)電中心不重合。盡管這是六角形單元仍然是電中性的，但是正負(fù)電中心不重合，產(chǎn)生電偶極矩 。整個晶體中有許多這樣的電偶極矩排列，使得晶體極化，左右表面出現(xiàn)束縛電荷。當(dāng)外力去掉，晶體恢復(fù)原來的形狀，極化也消失。（許多大學(xué)物理教材都有關(guān)于電極化理論的介紹）

由于同樣的原因，當(dāng)晶體沿y方向受拉力，或沿x方向受壓力，正原子三角形和負(fù)原子三角形都被壓扁，也造成正、負(fù)電中心不重合。但是這時電偶極矩的方向與x方向受拉力時相反，晶體的極化方向也相反。這就是壓電效應(yīng)產(chǎn)生的原因。

當(dāng)外力沿z軸方向（垂直于圖Z1-1中的紙面方向），由于不造成正負(fù)電中心的相對位移，所以不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。由此可見，石英晶體的壓電效應(yīng)是有方向性的。

當(dāng)一個不受外力的石英晶體受電場作用，其正負(fù)離子向相反的方向移動，于是產(chǎn)生了晶體的變形。這一效應(yīng)是逆壓電效應(yīng)。

還有一類晶體，如鈦酸鋇（BaTiCO3），在室溫下即使不受外力作用，正負(fù)電中心也不重合，具有自發(fā)極化現(xiàn)象。這類晶體也具有壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，它們多是由人工制成的陶瓷材料，又叫壓電陶瓷。本實(shí)驗中超聲波換能器采用的壓電材料為壓電陶瓷。

脈沖超聲波的產(chǎn)生及其特點(diǎn)

用作超聲波換能器的壓電陶瓷被加工成平面狀，并在正反兩面分別鍍上銀層作為電極，這樣被稱為壓電晶片。當(dāng)給壓電晶片兩極施加一個電壓短脈沖時, 由于逆壓效應(yīng)，晶片將發(fā)生彈性形變而產(chǎn)生彈性振蕩, 振蕩頻率與晶片的聲速和厚度有關(guān), 適當(dāng)選擇晶片的厚度可以得到超聲頻率范圍的彈性波, 即超聲波。在晶片的振動過程中，由于能量的減少，其振幅也逐漸減小，因此它發(fā)射出的是一個超聲波波包，通常稱為脈沖波，