超声波的产生与接收原理

1.超声波的产生

超声是由超声波发生器产生的。超声波发生器主要是电声型，它是将电磁能转换为机械能，其结构分为两部分。一是产生高频电流或电压的电源，另一部分是换能器。它将电磁振荡变换为机械振荡而产生超声波。换能器有两种类型。压电式和磁致伸缩式。

（1）压电式换能器。压电式换能器是利用压电晶体的电致伸缩效应（即逆压电效应），在压电材料切片上施加交变电压，使产生电致伸缩振动而产生超声波。压电材料的固有频率为

式中 n——谐波次数；n＝1、2、3、…；

　　 d——压电晶片厚度；

　　 E——压电材料弹性模量；

　　 ρ——压电材料的密度。

根据共振原理，当外加交变频率等于晶片的固有频率时，产生共振，此时产生的超声波最强。压电式换能器可以产生几十千赫兹到几十兆赫兹的高频超声波。(www.xing528.com)

（2）磁致伸缩换能器。磁致伸缩换能器是铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械振动，从而产生超声波的一种装置。它用厚度为0.1～0.4mm的镍片叠加而制成的，片间绝缘以减少电涡流损失。其结构有矩形、窗形等。

铁磁材料的固有频率表达式与压电材料相同，即

式中 ，如果振动器是自由的，则n＝1、2、3、…，如果振动器的中间部分是固定的，则n＝1、3、5、…。

常用的铁磁材料以镍为最多，因为镍的磁致伸缩效应最大，其次是铁钴钒合金（铁49%，钴49%，钒2%）和含锌、镍的铁氧体。

2.超声波的接收

超声波接收器一般是靠超声波发生器的逆效应进行的，压电式超声波接收器是利用正压电效应进行工作，当超声波作用到压电晶片上时，相当于施加一作用力，在晶片的相应界面上产生交变电荷，此电荷经放大器（电压或电荷放大器）转换成电压信号被记录或显示结果。超声波接收器的结构与发生器基本相同，有时就用同一个换能器兼作发生器和接收器两种用途。

磁致伸缩超声波接收器是利用磁致伸缩的逆效应（即压磁效应）而进行工作的，当超声波作用致压磁材料上时，产生压磁效应，引起它的内部磁场（导磁特性）变化，在其绕制的线圈中感应电势，电势的大小和频率与超声波的声强和频率有对应关系，将此电势送到测量电路及显示装置便可记录显示出来。磁致伸缩超声波接收器的结构与发生器基本相同。