超声波的特性及工作原理

1超声波简介

我们把频率高于20KHz的声波称为超声波，超声波具有良好的方向性和穿透能力，特别是在水中，传播距离更远。无论是在军事上、农业上还是在生活中都有广泛的应用，可以用来测速度、测距离、消毒杀菌、清洗、焊接等。

人耳能听到的超声波频率范围大概是20Hz-20KHz，超声波的频率大于人类听觉上限，因此叫做“超声波”。

超声波与普通声波一样，也具有反射、折射、衍射、散射等特点，但是超声波的波长较短，有的是几厘米，低至千分之几毫米。波长越短，声波的衍射特性就越差，可以在介质中稳定地进行直线传播，因此波长较短的超声波具有很强的直线传播能力。众所周知，声音在空气中传播时，会推动空气中的粒子振动做功，而声波功率的大小表示声波做功快慢，在相同环境下，声波的频率越高功率就越大。超声波的频率大于20KHz，因此超声波的功率较高。

超声波主要有两个参数：

频率：F≥20000Hz（通常把F≥15000Hz的声波也称为超声波）；

功率密度：p=发射功率（W）/发射面积（cm2）；通常p≥0.3w/cm。

超声波具有如下特性：

（1）超声波具有在气体、液体、固体等介质中进行效传播的能力。

（2）超声波具有很强的传递能量的能力。

（3）超声波具有反射特性，还会产生干涉、叠加和共振现象。

（4）超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生空化现象和强烈的冲击。

2超声波用途

超声波在生活中的很多方面都有应用，主要有以下几个方面：

1）医学方面

在医学方面，超声波主要应用为医学诊断与临床治疗。医学诊断中，超声波的主要应用为B超。由于超声波具有反射、折射等特点，如果将超声波发射到人体内，它就会在人体内部发生反射，人体内部各个形状大小都不一样，因此反射回来的声波方向、强度等信息也不同，医生通过对反射回来的声波进行分析，再结合一些医学方面的专业知识，就可以知道人体内部的某些部位是否产生病变。

在临床治疗中，超声波主要被用来杀死肿瘤细胞和超声针灸，我们知道超声波的功率很大，利用医学影像技术，将多束超声波聚焦在病变的细胞上，控制好照射的强度和时间，短时间的温度将达到70~100℃，在保护周围组织的同时杀死了病变细胞。

超声针灸就是利用超声波技术来刺激穴位，这种疗法对组织没有损伤，而且具有无痛、无不适应等优点，在治疗小孩子或者一些害怕针灸的患者时有很好的效果。此外，超声波在体外碎石，理疗、牙科等方面也经常使用。

2）超声清洗

超声清洗主要基于空化作用，空化作用总体上就是在有压力和无压力作用时，每一秒都进行着几万次这样的变换，超声波在液体内部不断地进行透射作用，在没有压力作用时，液体内部就会出现真空核泡群，在有压力作用时，真空核泡群在压力的作用下产生强大的冲击力，因此可以带走物体表面的污垢，完成清洗工作。一些表面凹凸不平的器件，或者特别小难以清洗的部件，例如钟表、电子元器件、电路板等都可以达到很好的清洗效果。而且随着超声波频率的升高，空化作用的效果会减弱，因此超声波清理的效果很好却不会伤害到器件表面。

3）超声测距

由于超声波的波长相对较短，具有良好的方向性和穿透能力，能量消耗的比较慢，在介质中传播距离较远。而且超声测距的原理简单，比其他的测距方式都方便容易操作，计算也比较简便，测量精度也能满足要求，因此在一些移动式机器人或者导盲系统中有广泛的应用。