超声波及其物理性质：详解

振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。其频率在16～2×10⁴Hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于16Hz的机械波，称为次声波；高于2×10⁴Hz的机械波，称为超声波，如图5-1所示。频率在3×10⁸～3×10¹¹Hz之间的波，称为微波。

图5-1 声波的频率界限图

超声波不同于声波，其波长短，绕射现象小，且方向性好，传播能量集中，能定向传播。而且超声波在传播过程中衰减很小，大部分能量会被反射回来；超声波对液体、固体的穿透能力很强，尤其是对不透光的固体，它可以穿透几十米的深度；超声波遇到杂质或分解面会产生反射、折射和波形变换等现象。

1.超声波的波形及其传播速度

当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波形转换等现象。声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波形也不同。通常有：

1）纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播。

2）横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播。

3）表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面平衡位置做椭圆轨迹传播。只能在固体中传播。

超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波的传播，其传播速度c为

式中 ρ——介质的密度；

B_n——绝对压缩系数。

上述的ρ、B_n都是温度的函数，使超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化。表5-1所示为蒸馏水在0～100℃时声速随温度变化的数值。

表5-1 0～100℃范围内蒸馏水声速随温度的变化

从表5-1可见，蒸馏水温度在0～100℃范围内，声速随温度的变化而变化，在74℃时达到最大值，大于74℃后，声速随温度的增加而减小。此外，水质、压强也会引起声速的变化。

在气体中，超声波的传播速度与气体的种类、压力及温度有关，在空气中的传播速度为

c=331.5+0.607t（m/s）

式中 t——环境温度。

对于固体，其传播速度为

式中 E——固体的弹性模量；

μ——泊松系数比。

在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90%。气体中纵波声速为344m/s，液体中纵波声速为900～1900m/s。

2.超声波的反射和折射

声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一部分声波被反射，另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射，如图5-2所示。(www.xing528.com)

（1）反射定律

由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角α的正弦与反射角α′的正弦之比等于波速之比。当反射波与入射波同处于一种介质中时，因波速相同，则反射角α′等于入射角α。

图5-2 超声波的反射和折射

（2）折射定律

当波在界面处产生折射时，入射角α的正弦与折射角β的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速c₁与折射波在第二介质中的波速c₂之比，即

（3）反射系数

超声波从第一介质垂直入射到第二介质中时，透射声压与入射声压之比称为透射率。而反射声压与入射声压之比称为反射率。超声波从密度小的介质入射到密度大的介质时，透射率较大。

声波的反射系数和透射系数可分别由如下两式求得：

式中 I₀、I_r、I_t——分别为入射波、反射波、透射波的声强；

α、β——分别为声波的入射角和折射角；

ρ₁c₁、ρ₂c₂——分别为两介质的声阻抗，其中c₁和c₂分别为反射波和折射波的速度。

当超声波垂直入射界面，即α=β=0时，则

由此可知，若ρ₂c₂≈ρ₁c₁，则反射系数R≈0，透射系数T≈1，此时声波几乎没有反射，全部从第一介质透射入第二介质；若ρ₂c₂＞＞ρ₁c₁，反射系数R≈1，则声波在界面上几乎全反射，透射极少。同理，当ρ₁c₁＞＞ρ₂c₂时，反射系数R≈1，声波在界面上几乎全反射。例如，在20℃水温时，水的特性阻抗为ρ₁c₁=1.48×10⁶kg/（m²·s），空气的特性阻抗为ρ₂c₂=0.000429×10⁶kg/（m²·s），ρ₁c₁＞＞ρ₂c₂，故超声波从水介质中传播至水气界面时，将发生全反射。

3.超声波的衰减

声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为

P_x=P₀e^-ax

I_x=I₀e^-2ax

式中 P_x、I_x——距声源x处的声压和声强；

P₀、I₀——距声源x=0处的声压和声强；

x——声波与声源间的距离；

a——衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。

声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是指超声波在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能不再沿原来传播方向运动，而形成散射。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、介质的性质和散射粒子的性质有关。吸收衰减是由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损耗。