超聲波的產生

Ⅷ.超聲波的產生

能夠產生超聲波的方法很多，常用的有壓電效應方法、磁致伸縮效應方法、靜電效應方法和電磁效應方法等。我們把能夠實現超聲能量與其他形式能量相互轉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射又能用于接收。

在本專題實驗中，我們采用壓電效應實現超聲波信號與電信號的轉換，即壓電換能器，它是利用壓電材料的壓電效應實現超聲波的發射和接收。

某些固體物質，在壓力（或拉力）的作用下產生變形，從而使物質本身極化，在物體相對的表面出現正、負束縛電荷，這一效應稱為壓電效應。

物質的壓電效應與其內部的結構有關。如石英晶體的化學成分是SiO2，它可以看成由+4價的Si離子和-2價O離子組成。晶體內，兩種離子形成有規律的六角形排列，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，三個負原子對（六個負原子）組成一個向左的三角形，其負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成，也是電中性的。

當晶體沿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，但是正負電中心不重合，產生電偶極矩 。整個晶體中有許多這樣的電偶極矩排列，使得晶體極化，左右表面出現束縛電荷。當外力去掉，晶體恢復原來的形狀，極化也消失。（許多大學物理教材都有關于電極化理論的介紹）

由于同樣的原因，當晶體沿y方向受拉力，或沿x方向受壓力，正原子三角形和負原子三角形都被壓扁，也造成正、負電中心不重合。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。這就是壓電效應產生的原因。

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

當一個不受外力的石英晶體受電場作用，其正負離子向相反的方向移動，于是產生了晶體的變形。這一效應是逆壓電效應。

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

脈沖超聲波的產生及其特點

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。當給壓電晶片兩極施加一個電壓短脈沖時, 由于逆壓效應，晶片將發生彈性形變而產生彈性振蕩, 振蕩頻率與晶片的聲速和厚度有關, 適當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，因此它發射出的是一個超聲波波包，通常稱為脈沖波，

超聲波的產生

Ⅷ.超聲波的產生

能夠產生超聲波的方法很多，常用的有壓電效應方法、磁致伸縮效應方法、靜電效應方法和電磁效應方法等。我們把能夠實現超聲能量與其他形式能量相互轉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射又能用于接收。

在本專題實驗中，我們采用壓電效應實現超聲波信號與電信號的轉換，即壓電換能器，它是利用壓電材料的壓電效應實現超聲波的發射和接收。

某些固體物質，在壓力（或拉力）的作用下產生變形，從而使物質本身極化，在物體相對的表面出現正、負束縛電荷，這一效應稱為壓電效應。

物質的壓電效應與其內部的結構有關。如石英晶體的化學成分是SiO2，它可以看成由+4價的Si離子和-2價O離子組成。晶體內，兩種離子形成有規律的六角形排列，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，三個負原子對（六個負原子）組成一個向左的三角形，其負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成，也是電中性的。

當晶體沿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，但是正負電中心不重合，產生電偶極矩 。整個晶體中有許多這樣的電偶極矩排列，使得晶體極化，左右表面出現束縛電荷。當外力去掉，晶體恢復原來的形狀，極化也消失。（許多大學物理教材都有關于電極化理論的介紹）

由于同樣的原因，當晶體沿y方向受拉力，或沿x方向受壓力，正原子三角形和負原子三角形都被壓扁，也造成正、負電中心不重合。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。這就是壓電效應產生的原因。

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

當一個不受外力的石英晶體受電場作用，其正負離子向相反的方向移動，于是產生了晶體的變形。這一效應是逆壓電效應。

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

脈沖超聲波的產生及其特點

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。當給壓電晶片兩極施加一個電壓短脈沖時, 由于逆壓效應，晶片將發生彈性形變而產生彈性振蕩, 振蕩頻率與晶片的聲速和厚度有關, 適當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，因此它發射出的是一個超聲波波包，通常稱為脈沖波，