超声波测量的新研究

摘要：超声波测量技术在材料特性领域中占有重要地位,因为它是状态的非破坏性和对各种材料的弹性性能的评价手段。随着计算机电子技术的突飞猛进，超声波测量速度和精度上有了很大的进步，在更大的范围内得到了新的应用。本文以超声波波谱、超声波摄像和延迟线振荡器构成传感器为例进行研究，争取有新的突破。

关键词：超声波成像；延迟线振荡器；传感器

中图分类号：P631.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）19-0024-02

0 引言

超声波测量中的基本量是声波在物质中传播的衰减和速度，超声波波谱学确立了这些物理量的频率特性测量。包括液体、气体、陶瓷以及金属等固体测量对象以及生物组织和有机高分子材料等测量对象，超声波测量的应用广泛之极。超声波测量的另外一个重要组成部分是一些组织特性，比如说生物组织的弹性性质及形状之定量化为目标的组织特性等等。超声波测量也大量的应用在检测外部状态的传感器上。具有代表性的传感器为弹性表面声波器件内装入叉指换能器和延迟线振荡器构成传感器。

1 超声波摄像技术

1.1 超声波显微镜 在这个领域里超声波测量技术发挥着巨大作用，弹性性能和评估光学不透明物为测量特点的超声波显微镜被研制出来，目的是为了提高对比度。其结构分为两种，机械扫描式超声波显微镜和激光扫描式超声波显微镜。在实际应用中，超声波显微镜利用超声波图像显示光学不透明物中的弹性性能的微小变化和缺陷在成像原理以及构件结构都已成熟的基础上，广泛应用到医学、牙科学等生物学领域。

声学透镜是超声波显微镜所用的超声波换能器的重要部件，此部件大部分是利用蓝宝石棒的一端加工成半球形制作出来的，它的生产需要需要高精度的精密加工技术。超声波换能器用来产生高频超声波，是由Zn0压电薄膜的厚度振动摸式构成。又如通过菲涅耳图的浸蚀制造声学透镜，和叉指换能器都被陆续的研制出来。叉指换能器可以使激振的瑞利波转变为液中的体声波。

超声波显微镜也有其特殊类型，比如说极低温超声波显微镜、利用声光效应的超声波显微镜以及非线性超声波显微镜。提高超声波显微镜的分辨率有两种手段，分别是增大超声波显微镜的工作频率和作为声传播耦合物的液体上采用声速小的液体。比如说极低温超声波显微镜，作为呈现染色体、心脏的纤维芽细胞、细菌等细微物质的超声波显微镜，对其分辨率要求的很高，所以采用液氮或液氦这样的超声波吸收小、声速低的低温液体作为传播耦合物。

1.2 超声波诊断装置 在医疗诊断领域超声波诊断装置应用十分广泛，如妇产科、内科、心脏外科等等。为了达到该装置的实时观察和对人体组织细胞无损害，我们采用相控阵换能器，在设计的时候需要考虑到超声波诊断装置的超声波束焦距可变和高速扫描。相控阵换能器的探头是由由多个长方形的振子及与其对应的相同数量的延迟线构成。延迟线是为了使振子得到适当的延迟，利用依次切换的超声波束进行扫描。聚焦束是通过端部稍微快于中间部分的方式激振得到的。

设相控阵换能器的探头的长方形振子的宽为w，厚度为t，当wt

超声波CT与超声波回波法以及X射线CT获得的诊断信息不同而作为医学诊断领域的另一个技术，它的超声波图像是利用CT规则系统来实现的。它具有可定量评估的特点，它的超声波参数为衰减常数及声速为图像化。因为人体内的气体和骨骼能引起超声波CT的数据欠缺以及波动性产生的束具有扩展性，所以在实际应用中X射线CT的成像质量要稍微好些。后来经过研究，在衰减和速度两方面能改善超声波CT的成像质量，逐渐发挥了超声波CT的特点。

在血流速度分布的断层成像方面，超声波血流检查法比较卓越，它利用多普勒效应进行相位检测和多通道监测，其结果具有实时性和很高的精度，适于定量测量。

2 无损伤装置

超声波无损探伤测量技术已经得到了良好的发展，传统的测量装置是以金属结构物为主要对象的，而且分辨率低，现在这项技术被广泛应用到陶瓷、电子元件领域。选择陶瓷作为结构，是因为陶瓷材料的强度很好。但是陶瓷太脆，而且相对于一般金属来说其强度的分散性也稍大。陶瓷能广泛应用的关键在于无损探伤。陶瓷结构的无损探伤是因为10-30纽米的陶瓷破坏缺陷要远小于一般金属。相对于水的纵波声速1500m/s来说陶瓷中纵波声速要大很多，为7000-12000m/s，陶瓷和水界面处的折射率就非常大。正是因为此，就需要长焦距探头来测定距表面较深位置的缺陷。半导体电子元件内部空隙、裂纹、粘接处脱落等问题在过去视为难点，现在利用脉冲压缩改善信噪比的方法使得超声波探伤装置很轻易的攻克这一难题。

新研制的采用高分子压电薄膜制作的凹面换能器和声波的匹配非常紧密。此高分子压电振子的带宽在对于窄超声脉冲的发送与接收表现卓越，同时液体及活体的声阻抗与高分子压电振子非常接近，而且其易于粘贴材料柔软，所以被广泛应用。此外，液体中超声波换能器也被研制出来，它的原理是利用泄漏的冲击波或表面波转化为液体中的体声波这种模式转换现象来制造的。

3 超声波波谱

在试样中传播的超声波的速度和衰减是超声波波谱学所研究的一个重要课题。下面就将固体和液体作为测量对象来研究声光学方法、脉冲法以及连续波法。