导语：如何才能写好一篇超声波，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
这款汽车的外形跟普通汽车相差无几，可它既有普通汽车有的功能，又有普通汽车没有的功能。比如你外出喝了酒正想打开车门回家时，却发现你即使使出浑身解数也开不了车门，是你忘了开车锁？NO！这是因为车上的“超声波酒精探测装置”发出的超声波已经吸收了一些酒精“带”回了接收器，车门自动锁上，除非有没喝过酒的人代驾，否则你甭想开车回家了。
当你开车外出旅游汽油用光时，却找不到加油站，怎么办呢？不用担心，现在有了超声波汽车。超声波汽车已经把太阳光转化为能量，人们开车再也不需要昂贵的汽油了。
这款超声波汽车还有更妙的功能呢！普通车辆很容易超载、超速，而超声波汽车绝对不会出现这种情况。只要你超出一丁点儿重量，超声波就会发出警报，就像电梯超载了一样不走了，只有减少重量才可以行驶。有一些刚学会驾驶的司机很容易把油门当刹车，很多惨剧就是这样酿成的，可是驾驶超声波汽车时，如果出现险情，你在慌乱之下，误踩油门时，超声波早已把探测到的无线电波传送到刹车系统里了，刹车自动工作，而你踩下的油门根本起不了作用。要是你控制不了车速怎么办？比如高速公路上限速120公里，你却依然狠踩油门，这时超声波会形成一个小阻碍在油门下方，油门再也踩不下去了。
我相信这款实用的多功能超声波汽车将会受到越来越多消费者的喜爱！
斯帕拉捷很奇怪：不用眼睛，蝙蝠凭什么来辨别前方的物体，捕捉灵活的飞蛾呢？于是，他把蝙蝠的鼻子堵住。结果，蝙蝠在空中还是飞得那么敏捷、轻松。
最后，斯帕拉捷堵住蝙蝠的耳朵，把它们放到夜空中。这次，蝙蝠可没有了先前的神气。它们像无头苍蝇一样在空中东碰西撞，很快就跌落在地。
啊！蝙蝠在夜间飞行，捕捉食物，原来是靠听觉来辨别方向、确认目标的！斯帕拉捷的实验，揭开了蝙蝠飞行的秘密，促使很多人进一步思考：蝙蝠的耳朵又怎么能“穿透”黑夜，“听”到没有声音的物体呢？
后来人们继续研究，终于弄清了其中的奥秘。原来，蝙蝠靠喉咙发出人耳听不见的“超声波”，这种声音沿着直线传播，一碰到物体就像光照到镜子上那样反射回来。如图所示，蝙蝠用耳朵接收到这种“超声波”，就能迅速作出判断，灵巧地自由飞翔，捕捉食物。
超声波的特点与应用
超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。
如图所示，超声波清洗机由超声波发生器发出的超高频率超声波，通过换能器转换成高频率振动而传播到清洗溶剂中，超声波在清洗液中疏密相间地向前传播，使液体流动而产生数以万计的微小气泡，存在于液体中的微小气泡在超声波的作用下振动，使得待清洗物体上的固体粒子脱离，从而达到清洗加净化的目的。
现在人们将超声波运用到临床医学上，获得了巨大成功。例如治疗癌症的“超声聚焦刀”，就是利用超声波作为能源。很多束超声波从体外发射到身体里去，在发射透射过程中间发生聚焦，聚焦在一个点即肿瘤上，通过声波和热能转化，在0.5～1秒内形成一个70℃～100℃高温治疗点，这个高温点好比是一个手术刀在切割肿瘤，焦点区的肿瘤无一幸免。超声聚焦刀使肿瘤组织产生凝固性坏死，失去增殖、浸润和转移能力。此机原理类似于太阳灶聚阳光于焦点处产生巨大能量。所以有人将超声聚焦比做一把体外操作、体内切割的“刀”。
在医学中，可以把超声波送入体内，经过技术处理，在荧光屏上显示出人体内脏清晰的图像，这种技术就是所谓的B超检查。超声波检测的原理用于工程上，可以用来检测工件内隐藏的裂纹、砂眼、气泡等，成为工程师的“眼睛”。
超声波能在水中传播很远的距离。比如，30000Hz的超声波在空气中传播24m时，强度会减弱过半，而在水里它要传播44km才会减弱过半，是空气中传播距离的2000倍。
第一次世界大战的时候，德国潜水艇频频袭击英国和法国的巡洋舰。法国科学家朗之万心急如焚，发明了一种叫声呐的仪器。声呐由超声波发生器和接收器两部分组成。声呐发出超声波，接收和测量回声，可以确定目标的位置、形状，甚至还能分析出敌方潜艇的性能。
声呐技术有着广泛的应用，它可以用于考查海底，画出精确的“地貌声图”，误差不超过20cm。
【关键词】超声波探伤；探头；声速
超声波检测应用的特点
在无损检测领域，超声波检测是四大常规无损检测技术（超声、射线、磁粉、渗透）之一，是目前国内外应用最广泛、使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术。与其它几种常用的无损检测方法相比，超声检测有以下特点：⑴面积型缺陷的检出率较高，而体积型缺陷的检出率较低。对体积型缺陷的体积大小定位较为困难。⑵适合检验厚度较大的工件。超声波对钢有足够的穿透能力，目前超声波探头的穿透能力可达10米。因此，对厚大产品的界面回波和缺陷回波的定位和分辨都比较容易。⑶应用范围广。超声波探伤应用范围包括焊缝、板材、管材、棒材、锻件、铸件、以及复合材料等。在探测材料的内部缺陷方面，超声波检测与射线检测相比，具有成本低、效率高、检测方便等优点。⑷超声检测与射线检测相比，对缺陷在工件厚度方向上的定位较准确。⑸材质内部的成分偏析、粗大的晶粒、细小的异质夹渣物等，都对超声检测的精度造成影响。此外，粗大的晶粒或石墨界面还会对声波的能量造成严重的衰减，降低声波的穿透能力。⑹比较适合检测外形轮廓简单的工件。⑺无法得到缺陷直观图像，定性难，定量精度不高。⑻检测结果无直接见证记录。
超声波的基本定义
机械振动在弹性体中的传播称之为声波。如果以频率f来表征声波，并以人的可闻频率为分界线，则可把声波划分为次声波（f20kHz）。在超声波检测中最常用的频率范围为0.5～10MHz。
声波的特征参数
三者有以下关系：c=λf
声波的分类
波的种类以质点的振动方向与传播方向的关系来区分的，它分为纵波、横波、和表面波。
超声波检测仪的构成
超声波检测系统主要由超声检测仪、探头、连接线、耦合剂、试块等构成。
超声波探头
超声波探头又叫换能器。主要作用是发射和接收高频的超声波。
超声探头的分类
超声波探头的种类很多，根据波型不同，可分为纵波探头、表面波探头、横波斜探头等，根据耦合方式不同可分为接触式探头、水浸探头，电磁耦合探头等。根据波束的发散情况可分为聚焦探头和非聚焦探头。根据晶片的数量可分为单晶探头、双晶探头。
试块
为了保证检测结果的准确性、可重复性和可对比性，探伤检测也必须使用试块，来作为探伤判断的标准。
轧辊探伤系统常用试块
⑴标准试块标准试块要求试块内部材质均匀，杂质少，无影响使用的缺陷，具有良好的声学特性。标准试块通常采用20号碳钢制作，试块探测面光洁度一般不低于1.6μm，尺寸公差±0.05mm。⑵CSK-ⅠA试块CSK-ⅠA试块是我国在ⅡW试块的基础上改进后得到的，主要有三点改进。①将φ50mm的直孔改为φ50mm、φ44mm和φ40mm台阶孔，以便于测定横波斜探头的分辨力。②将R100mm的单一圆弧面改为R100mm和R50mm的阶梯圆弧面，以便于调整横波扫描速度和探测范围。③将试块上标定的折射角改为K值（K=tgβ），从而可直接读出横波斜探头的K值。（3）对比试块轧辊探伤用对比试块为φ5平底孔试块，试块尺寸在国标GB/T1503-2008中有详细规定。
轧辊的超声检测
准备工作
⑴了解检测产品的主要生产方法，工艺特点，以及该产品主要的缺陷种类。⑵充分了解所使用仪器和探头的组合性能，现场使用环境，有无强磁、振动等。⑶所要检测产品的规格、厂家以及技术要求等细节。⑷备齐需要的探头、连接线、耦合油、刷子等检测工具。⑸检测前要对不同平底孔试块进行当量校准，测定声速和所使用探头的探头延时等。
仪器和探头的选用
仪器：⑴仪器的垂直线性和水平线性良好。⑵仪器的灵敏度余量要高（即可调的dB值范围大），信噪比高，功率大。⑶仪器的盲区尽量小，分辨率高。⑷鉴于轧辊的检测条件，应尽量选用便携式、数字式仪器，仪器的荧光屏亮度高、防护能力和抗干扰能力强，操作界面应尽量选用中文界面的仪器。
探头：
⑴首先保证探头的性能（即选择探头的品牌）。⑵探头频率的选择。⑶探头种类的选择。⑷晶片尺寸的选择。⑸斜探头K值的选择。⑹检测较为粗糙的表面时，为了提高耦合效果和保护探头，应尽量带软保护膜的探头。
缺陷的定量
对于超声波检测来说，当缺陷的尺寸小于声束截面时，缺陷的定量有多种方法，比如缺陷回波高度法、底面回波高度法、当量评定法、当量计算法等，对于轧辊探伤来说，最常用的是当量评定法。当缺陷面积大于声束截面时，就不能采用当量法了，这时测定缺陷的面积要根据检测到缺陷的探头移动范围来确定缺陷的大小，通常称为缺陷的指示长度或指示面积。检测方法最常用的为6dB法或半波高度法、端点6dB法、端点峰值法等。
影响定量的因素
⑴缺陷的形状。⑵缺陷的轮廓和表面光洁程度。⑶缺陷的取向。⑷缺陷的性质。
非缺陷回波
⑴探头杂波。⑵工件轮廓回波。⑶幻象波。
中心缩松或缩孔
中心缩松在辊颈检测中比较常见，通常位于中心部位。缩松引起的原因是最后凝固的部位没有金属液补缩造成。缩松会造成声波的明显衰减，严重时底波不可见。
表面裂纹及垂直裂纹
表面垂直裂纹通常是轧制过程中形成疲劳裂纹或者事故裂纹，这时裂纹的深度通常使用斜探头进行检测。
关键词：超声波检测混凝土缺陷检测
混凝土构件在制作或使用过程中，经常因为管理不善或受环境及意外损伤的影响，其内部可能出现蜂窝状不密实区或空洞。这些缺陷的存在会严重影响构件的承载力和耐久性，采用有效方法查明混凝土内部结构缺陷的性质、位置、范围及尺寸，以便进行技术处理，是工程建设中的一个重要内容。
1超声波检测混凝土缺陷的基本原理
目前，在检测混凝土构件的缺陷方面，超声无损检测的应用比较广泛。其主要方法是：首先测出超声波在混凝土构件各段的传播速度，再比较所测速度值的差异，找出有突变的地方，进行分析，从而判断缺陷的形态、范围等。超声波检测仪器比较简单，便携，操作比较方便，所以被广泛应用于混凝土结构缺陷检测。
2超声波检测混凝土缺陷的方法
2.1平测法
当构件具有两对相互平行的测试面时，可采用对测法，在测试部位两对相互平行的测试面上，分别画出200～300mm等间距的网格并编号确定对应的测点位置然后将T、R换能器经耦合剂分别置于对应测点上，逐点记录相应的声时（ti）、波幅（Ai）和频率(fi)，并量取测试距离（L）。
2.2斜测法
当混凝土被测部位只能提供两个相对或相邻测试表面时，可采用斜测法检测。检测时，将一对T、R换能器分别耦合于被测构件的两个表面，两个换能器的轴线不在同一直线上。检测混凝土梁、柱的施工接槎、修补加固混凝L结合质量和检测混凝土梁、柱的裂缝深度多采用此方法。
2.3钻孔测法
对于大体积混凝土结构，由于其断面尺寸较大，如直接进行平面对测，接收到的脉冲信号很微弱，甚至无法识别首波的起始位置，不利于声学参数的读取和分析。检测时可用两个径向振动式换能器分别置于两测孔中进行测试，或用一个径向振动式与一个厚度振动式换能器，分别置于测孔中和平行于测孔的侧面进行测试。
3数据处理及判断
混凝土是非均质体，各测点处混凝土的质量是波动与离散的。任何结构上都能测量到一些低值点，但这些低值点不一定都是缺陷。所以各类超声检测规范中都采用了“概率法”。概率法的基本构想是认为：
a．正常混凝土质量的波动是偶然误差所引起，是不可避免的，也是允许的，它的分布是符合正态分布的。同时粗略认为，正常混凝土其声学参数也符合正态分布。
b．缺陷是由过失误差（漏振、漏浆、架空等）引起。它的分布不符合正态分布。
c．现在的问题是如何区别判断这些低测值点是偶然误差还是过失误差所引起，也就是说要定出一个是否是缺陷的临界值：凡低于临界值就是缺陷可疑点。
3.1混凝土声学参数的统计计算：
对于同一构件，同一测距的声速、波幅等声学参数的平均值（mx）和标准差（Sx）应分别按下式及步骤计算：
(1)
(2)
式中：――第i点的声学参数测量值；
n――参与统计的测点数。
将判断值(X0)与可疑数据的最大值(Xn)相比较，当Xn不大于X0时，则X0及排列于其后的各数据均为异常值，并且去掉Xn，再用X1～Xn-1进行计算和判别，直至判不出异常值为止；当Xn大于时X.0，应再将Xn+1放进去重新进行计算和判别；
(2)当测位中判出异常测点时，根据异常测点的分布情况，按下式进一步判别其相邻测点是否异常。
式中，、，――异常值判断系数(当测点布置为网格状时取；当单排布置测点时(如在声测孔中检测)取)。
4检测实例
某新建工程，因为怀疑某混凝土柱振捣不密实，对其进行缺陷监测。该柱子横截面积为1400mm×1400mm柱高3400mm。
4.1构件布点设置
检测仪器为NM-4A型非金属超声波检测仪。采用对测的方法，网格间距为200mm。AA测试面和BB测试面为同一根柱子的同一平行面且分别布置96个测点。测点布置见图1，图2。耦合剂采用黄油。
对于AA面，先将声速由大到小排列，利用公式（1）、（2）、（3），计算出平均值，标准差，和判断值。结果分别为：mx=4.390,Sx=0.069,X0=4.230。可见X06-01=4.234
5结束语
对结构或构件混凝土不密实区和空洞缺陷检测，不仅在监控混凝土的施工质量、消除工程隐患、加快施工进度等方面具有很重要的意义，而且对长久使用中的工建筑物进行质量鉴定，以便确定继续使用还是加固改造或者是推倒重新修建．也具有决定性的作用。
关键词：超声波、废水、降解、有机物
1超声波处理技术的研究
1.1超声波降解机理
H2OOH+H（2.1）
OH+OHH2O2（2.2）
2HH2（2.3）
与此同时，还伴有强烈的冲击波和时速高达400km的射流产生，使这些具有氧化性的自由基和H2O2进入整个水溶液中，这就为有机物的降解提供了一个极端的物理环境，水中污染物超声降解的途径取决于污染物的物理化学性质。
一般来说超声空化是通过以下3种途径来降解水中的有机物：
a.高温热解[3]
对于易挥发的有机物，主要参加此类反应。由于这些有机物易于进入到空化泡内，高温高压使其发生热裂解断键作用，即类似燃烧化学反应使其彻底降解。
b.超声机械效应
超声波在媒质中传播时引起媒质质元的振动，使位移速度加快，从而加快了分子碰撞速度，同时对质点施加较大的冲击力，会导致分子链断裂。
c.自由基氧化还原反应
对于不易或难挥发的有机物，主要参与这类反应。由于空化作用产生的都是高反应性自由基，含有未配对的电子，性质活泼，会和水中其它的分子或自由基相互反应，引发一连串的连锁反应。如自由基的氧化、加成、取代或氯的消除。
当然利用超声波降解水中有机污染物质是上述各种机理共同作用，最终将有机物去除，达到净水的目的。
1.2超声波降解有机物的影响因素
1.2.1超声系统因素
包括频率和声强或声功率。一般而言，超声辐射频率随对象不同而不同，高频（200～900kHz）利于降解，但频率还与超声波的衰减有关。升高声强强度，有利于氧化反应，降解速度随声强的增强而增大。
许多研究如对邻氯酚等超声波降解作用表明：污染物的降解速率随声强的提高呈线形提高。但超过极值后，降解速率随之而降低。
影响因素主要有溶剂，溶液中饱和气体的种类，体系蒸汽压、压力、温度等，有机物的种类和浓度，自由基的清除剂（CO32-，HCO3-和天然有机质等）以及pH值（不是主要的）或适当通气。这些因素中溶解性气体存在可提供空化核，稳定空化效果，一般来说单原子气体比双原子气体、杂原子气体更适合。
1.2.3反应器结构因素
如反应器构造、反应器内是否易建立起混响场和外部能否施加压力等。目前，超声波主要有探头式和槽式两类间隙式反应为主的反应器，这类反应器不利于污染物的净化。为推动污染物的连续净化，近距离超声波换能器系统装置就比传统的更有效。
1.2.4催化剂因素
添加少量催化剂，如氧化性物质、Fenton试剂等，主要是促进空化过程中气泡界面上氢氧自由基、过氧化氢等氧化性物质的产生，提高超声波降解污染物的氧化强度，加快反应速率，促进有机污染物的降解反应。
就Fenton试剂[4]而言，具有很强的氧化性，在废水处理上的应用日趋广泛。其氧化机理主要是利用亚铁离子作为过氧化氢分解的催化剂，反应过程可以生成反应活性极高的氢氧自由基，其具有很强的氧化电位。氢氧自由基可以进一步引发自由基链反应，从而氧化降解大部分的有机物，甚至使大部分有机物达到矿化。整个反应体系的反应十分复杂，其关键是通过Fe2+在反应过程中起激发和传递作用，使链反应可以持续进行直至H2O2耗尽。
氢氧自由基是一种很强的氧化剂，具有较高的电负性或亲电子性，还具有加成作用，当碳碳双键存在时，除非被进攻的分子具有高密度的碳氢建，否则将发生加成反应。Fenton试剂处理有机污染物的实质就是氢氧自由基与有机物发生反应。
2超声波处理废水的常用方法
近年来，研究者发现，单独使用超声波降解水体中有机污染物虽然具有操作简单、方便等优点，但从能量消耗来看，不是很经济，且降解速度较慢。为了提高其降解速度同时降低费用，一些学者相继研究了几种超声波与其它处理技术相结合的新工艺，这是一个新兴的研究领域，目前尚处于探索阶段。
2.1超声波单一降解法
CheistainP等[5]研究了20kHz和50kHz超声波作用下五氯苯酚在水溶液中的降解。JamesC等采用超声波空化技术研究了氯苯、氯酚、氯代农药、杀虫剂、除草剂等有机氯化物的脱卤，并提出超声脱卤的反应机理。傅敏、高宇[6]等对苯胺采用超声波处理进行了研究。
2.2超声-催化剂法
在对超声波的研究中，催化剂的加入会促进水体中如酚类等憎水性、难挥发性污染物的降解速度。氧化性催化剂主要包括了过氧化氢、臭氧、次氯酸，它主要是利用了自由基作用原理，使氧化性物质空化过程中在液体界面产生自由基，从而促进污染物的降解。Olson、TereseM.、DahiE等采用的超声/臭氧氧化法降解水体中的天然有机物；Okouchj等在超声波降解水体中苯酚的实验中发现MnO2、V2O5对苯酚降解也具有催化作用。而Fenton试剂处理十几分钟，硝基苯的COD基本可以达到标准。
2.3超声-紫外光法
用超声-紫外光净化处理纺织染料废水，发现超声和紫外光联合作用于废水能大大促进反应物和产物在光催化剂表面的转换，从而大大加快反应速度。熊宜栋[7]在研究苯胺废水的超声波降解实验时发现：同时作用于废水，由于超声和紫外光的协同效应，使总的降解率比任一单独效应之和要好。
3超声波处理技术的研究方向
超声波虽已应用于许多工业领域，能快速便捷降解工业废水中的某些污染物，具有很大的潜力，但目前对于此类研究依然存在不足之处。
（1）深入研究机理。目前，大多数超声波降解研究主要集中在动力学和机理上，而对水体中其他溶解性有机污染物声化学转化的影响以及降解反应过程中中间体性质的探讨较少。深入研究超声波空化泡界面的特性，弄清超声波作用下有机物降解机理，开发促进降解的催化剂，从而加快反应速度，促进有机污染物彻底降解，避免造成环境的二次污染。
（2）拓展研究领域。目前的研究大多数停留在单组分模拟体系，而实际污染水系通常含有多种有机污染物。如何针对难降解有机污染物和实际有机废水展开研究、拓展实验研究领域、对反应过程进行量化描述、增大超声波技术处理量等都是需要进一步深入开展的工作。
（3）优化反应器。改进超声波发生器的结构，优化工艺参数，提高反应效率，从而减少成本，变间歇式处理的实验室阶段到连续性处理工艺开发阶段，促进超声波降解技术的推广与应用。
参考文献：
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[3]赵彬斌，王丽.超声波技术对水中有机污染物的降解.化学工程师，2002，（6）：21～22.
[4]邓南圣，吴峰.环境光化学.北京化学工业出版社，2003.275～277.
[5]CheistainPetrier,BernaldDavid,SergeLaguian.UltrasonicDegradationat20kHzand500kHzofAtrazineandPentachlorophenolinAqueousSolution:PreliminaryResults[J].Chemosphere,1996.32(9).
超声波作用于热塑性的塑料接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。
又由于塑料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。
当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。
超声波焊接根据焊接方式的不同，可分为埋植法焊接、铆焊法焊接、点焊法和成型。
关键词：超声波介质能量衰减
1压电陶瓷换能器
压电陶瓷换能器由压电陶瓷片和两种金属组成，在一定的温度下经极化处理后，具有压电效应。当发射端的压电陶瓷固有频率等于信号发生器的发射频率时，将产生共振，发射端产生超声波。并且向前传播。当超声波传到接收端时，压电陶瓷也将产生共振，在经过转化电路把压电陶瓷的机械能转化为电信号传给示波器，可以将信号发生器的脉冲信号表示成：（1）
当压电陶瓷换能器发射端的超声波经过介质传到接收器，并且发射器探头与接收器探头平行时，在接收器与发射器之间，入射波与反射波相干叠加，当放入介质的时候峰-峰值会随着探头的距离变化而发生变化。
2利用极大值法测量
2.1超声波在纸张里的能量衰减
测量数据如表1所示（表格中的d1为纸张的厚度0.04mm/层；Vp-p为电压峰峰值）。
根据表1数据超声波在纸张中的能量衰减曲线如图1所示。
2.2超声波在布料里的能量衰减
测量数据如表2所示（表格中的d2为布料的厚度0.041mm/层；Vp-p为电压峰峰值）。
根据表2数据，得出超声波在布料中的能量衰减曲线如图2所示。
3超声波在介质中传播能量损失的原因分析
通过对超声波能量在介质中的损失研究表明，损失主要由以下几个原因造成。
3.1吸收损耗
由于超声波在介质中传播时介质非理想，不均匀，使物质内部的分子之间相互运动，导致超声波能量被介质吸收而转化为热能。超声波的能量衰减程度会随着物质的致密性增加而增加。
3.2扩散损耗
超声波在传输过程中波阵面不断扩大，造成单位面积上的能量减小，波阵面上的平均功率密度减小，表现为声强的衰减，所以超声波的能量随着超声波在物质中的传播距离的增加而减弱。随着距离的衰减而加强。
3.3散射损耗
超声波在传播过程中，遇到不同介质时，将发生散射，从而损失超声波的能量，散射主要发生在介质的粗大晶粒表面。由于晶粒排列不规则，在倾斜的界面上发生反射、折射等，导致能量损耗。
4超声波在纸张和布料不同介质中的能量衰减对比图
图3中测量点为“”表示纸张图线，对超声波的衰减特别大，有一层纸（纸张厚度d1=0.040mm/层）已经将同样大小的超声波，差不多已损失殆尽，而另一测量点为“■”图线表示的是布料（布料厚度d2=0.041mm/层），则衰减比较缓慢，随着厚度的增加，两种介质对超声波的衰减趋势将变得缓慢。
在研究中通过对数据的分析发现超声波在不同的介质中能量的衰减变化不相同，超声波会随着材料的材质，还有物质的厚度发生变化，并且会有超声波次极大值的出现，在超声波测量当中要严格地把握材料的相似性。有些没有办法避免的因素，应该用控制变量的方法，得出每一个影响超声波能量的因素。
超声波在介质传播过程中，伴随着介质形变、压缩、温度升高等一些现象，并且在介质内部产生内摩擦，使得超声波的能量减弱，通过实验发现，超声波在不同的物质中，它的衰减程度不相同，在均匀致密的物质衰减的程度远远大于在不均匀稀疏的物质，这其中吸收损耗占主要作用，但是随着介质厚度的增加，能量衰减曲线的变化变得非常缓慢，这时起主要作用的是扩散损耗，当介质的厚度到达一定程度，能量曲线就变得很微弱了，散射损耗的损失就加大了，占了损耗的大部分。所以超声波在介质中的能量损失是有几种损失共同作用的结果，随着材料的不同、结构的不同，发生着变化。
参考文献
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一、超声波测距仪系统硬件电路设计
(一)超声波测距仪系统设计结构框图
根据设计要求,该控制系统的基本结构框图如图1。
系统由四个主要功能模块组成:传感器发送-接收模块、稳压电源模块,信号处理模块,单片机控制模块。通过测量不同方向的传感器的信号,经过信号处理电路,由单片机控制计算出与障碍物的距离,从而达到测距目的。
(二)超声波传感器测量
(三)超声波测距仪系统设计方案
1.传感器选择
(1)超声波发生器。为了研究和利用超声波,人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲,超声波发生器可以分为两大类:一类是用电气方式产生超声波,一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同,因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。
(2)压电式超声波发生器原理。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声波。反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,这时它就成为超声波接收器了。
2.超声波测距系统的电路设计
(1)40kHz脉冲的产生与超声波发射。测距系统中的超声波传感器采用UCM40的压电陶瓷传感器,它的工作电压是40kHz的脉冲信号,这由单片机执行程序来产生。
前方测距电路的输入端接单片机P1.0端口,单片机执行上面的程序后,在P1.0端口输出一个40kHz的脉冲信号,经过三极管T放大,驱动超声波发射头UCM40T,发出40kHz的脉冲超声波,且持续发射200ms。右侧和左侧测距电路的输入端分别接P1.1和P1.2端口,工作原理与前方测距电路相同。
(2)超声波的接收与处理。接收头采用与发射头配对的UCM40R,将超声波调制脉冲变为交变电压信号,经运算放大器IC1A和IC1B两极放大后加至IC2。IC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567,内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3,电容C4决定其锁定带宽。调节R8在发射的载频上,则LM567输入信号大于25mV,输出端8脚由高电平跃变为低电平,作为中断请求信号,送至单片机处理。
前方测距电路的输出端接单片机INT0端口,中断优先级最高,左、右测距电路的输出通过与门IC3A的输出接单片机INT1端口,同时单片机P1.3和P1.4接到IC3A的输入端,中断源的识别由程序查询来处理,中断优先级为先右后左。(程序参见附件源程序)
(4)超声波测距系统误差分析。通过对所要求测量范围0-100m内的平面物体做了多次测量发现,其最大误差为0.5cm,且重复性好。可见基于单片机设计的超声波测距系统具有硬件结构简单、工作可靠、测量误差小等特点。
二、超声波测距系统的软件设计
关键词：超声波传感器原理应用
1.引言
随着自动化等新技术的发展，传感器的使用数量越来越大，一切现代化仪器、设备都离不开传感器。在工业生产中，尤其是自动化生产过程中，用各种传感器来监测和控制生产过程中的各个参数，如温度、压力、流量，等等，以便使设备工作在最佳状态，产品达到最好的质量。
20世纪中叶，人们发现某些介质的晶体（如石英晶体、酒石酸钾钠晶体、PZT晶体等）在高电压窄脉冲作用下，能产生较大功率的超声波。它与可闻声波不同，可以被聚焦，能用于集成电路的焊接、显像管内部的清洗；在检测方面，利用超声波有类似于光波的折射、反射的特性，制作超声波纳探测器，可以用于探测海底沉船、敌方潜艇，等等。
现在超声波已经渗透到我们生活中的许多领域，例如B超、遥控、防盗、无损探伤，等等。
2.超声波的概念
人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20Hz―20kHz范围内，称为可闻声波。低于20Hz的机械振动人耳不可闻，称为次声波；高于20kHz的机械振动称为超声波，常用的超声波频率为几十kHz至几十MHz。
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）和纵向振荡（纵波）。工业中的应用常采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，但传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波频率较低，一般为几十kHz，但衰减较快；在固体、液体中传播频率较高，但衰减较小，传播较远。
3.超声波的特点
超声波的指向性好，不易发散，能量集中，因此穿透本领大，在穿透几米厚的钢板后，能量损失不大。超声波在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。超声波的频率越高，其声场指向性就越好，与光波的反射、折射特性就越接近。利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器，配上不同的电路，制成各种超声波测量仪器及装置，并在通信、医疗、家电等各方面得到广泛应用。
4.超声波传感器的原理
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，由发送传感器、接收传感器、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器的作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超声波进行检测。实际使用中，用作发送传感器的陶瓷振子也可用作接收器传感器上的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比、稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。超声波传感器电源可用DC12V±10%或24V±10%。
5.超声波探头
超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。由于其结构不同，换能器又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头，等等。本文以固体传导介质为例，简要介绍以下三种探头。
（2）双晶直探头。由两个单晶探头组合而成，装配在同一个壳体内，其中一片晶片发射超声波，另一片晶片接收超声波。双晶探头的结构虽然复杂一些，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。
（3）斜探头。有时为使超声波能倾斜入射到被测介质中，可选用斜探头。压电晶片粘贴在与底面成一定角度的有机玻璃斜楔块上。当斜楔块与不同材料被测介质接触时，超声波产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，折射角可通过计算求得。
6.超声波传感器的应用
超声波传感器应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害，方法简便，显像清晰，诊断的准确率高，等等，因而受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断是利用超声波的反射原理，当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面时，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声振幅的高低。
在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤、超声波测厚和测量液位等。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感器的出现改变了这种状况。超声波探测既可检测材料表面的缺陷，又可检测材料内部几米深的缺陷。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。
7.结语
超声波传感器应用起来原理简单，也很方便，成本也很低。但是目前的超声波传感器都有一些缺点，比如反射问题、噪音问题、交叉问题，等等。本文简要介绍了超声波的概念、特点，分析了超声波传感器的原理，并给出了超声波传感器的几种典型应用，对今后对超声波传感器的进一步学习和研究有一定的参考价值和实用价值。
［1］梁森，黄杭美.自动检测与转换技术.机械工业出版社，2007.
［2］吴旗.传感器及应用.高等教育出版社，2002，（3）.
［3］俞志根，李天真，童炳金.自动检测技术实训教程.清华大学出版社.
关键词：超声波风速风向时差法
1引言
近几年，用超声波实现风速风向检测一直是个炙手可热的课题，目前该技术在国外已应用的非常成熟，而在国内该技术用于测风领域还处于发展阶段。国内生产的自动气象站在测风领域大都仍采用传统的机械式测风技术，超声波测风技术未得到广泛应用。近些年，随着国外超声波测风设备的流入，国内超声波测风的设备几乎都被国外厂家占据，而国内厂家仍未生产出成熟的超声波测风设备。随着气象站在各个领域的广泛应用，超声波测风设备由于其具有传统机械式测风设备所不具有的独特优势，必将占据更大的市场份额。鉴于此，本文设计的超声波风速风向测试仪具有量程宽、精确度高的优点，且能快速应用于自动气象站。
2超声波时差法测风原理
图1超声波风速、风向测量原理图
=Vc+Vw
=Vc-Vw
化简可得：Vw=（-）（1）
该方法能准确测得单一方向的风速。
3二维风速、风向测量原理
图2风速、风向测量坐标图
东西方向上风速为：Vwx=（-）
同理可求得南北方向上风速为VWy：VWy=（-）
进而得出风速VW与VWx、Vwy的关系式：VWx2=+VWy2
代入化简可得风速：Vw=（2）
风向公式：cos=设正东方向为0G度按逆时针方向增大。
将东西方向上风速及公式⑵求得风速代入可得：
化简并求反函数：（3）
随着风向从0-360变簧得风向如下菇⑷＃
（4）
4超声波风速风向测试仪的实现
设计中使用的超声波探头为美国AIRMAR公司的AT200（200khz）探头，探头推荐的接收范围为10cm～2m，典型应用为12cm～2m。为使测试仪结构小巧，四个探头分别在东、西、南、北方向进行V型等距安装，距离设置为12cm，这样既可以保证超声波探头接收精度，又使结构灵活小巧。
V型安装测风原理框图如图3所示。
图3V型安装测风原理图
设L为超声波信号从传感器a传播到传感器c的传播距离（a―b―c），可得：
t12=；
t21=；
式中：X为径向距离，单位：m；C为气体声速，单位：m/s；
V为风速，单位：m/s；L为超声波传播距离，单位：m。
气体速度V可得：
V=*；
可得声速C：
C=*；
4.1超声波风速风向测试仪的硬件设计
超声波风速风向测试仪硬件模块主要有超声波传感器、超声波发送驱动及接收处理电路、实时时钟、FLASH、RS485、AD采样、探头温度测量电路、探头加热电路等。系统方框图如图4所示。
各模块功能描述：
（1）超声波传感器模块：由超声波传感器和超声波发送驱动、接收处理电路组成。超声波发送驱动将单片机产生的脉冲信号发送给超声波探头发射；超声波接收探头接收到超声波信号后，由接收处理电路进行信号滤波、信号放大及电压比较电路等，通过IO引脚产生中断输入到单片机。
（3）FLASH：用于保存测试仪的设置参数及风速、风向的测量数据。
（4）RS485：用于与计算机通信，便于用户实时监测、获取及修改设备参数。
（5）AD与测温电路：用于测量超声波传感器探头表面温度。
（6）加热模块：在工作温度较低的环境下，用于给四个超声波传感器加热，防止探头表面结冰，影响测试仪测量。
4.2超声波风速风向测试仪的软件设计
4.2.1超声波收发控制
超声波探头的收发控制流程如图5所示。
4.2.2风速、风向值计算
风速、风向值的计算流程图如图6所示。
4.2.3加热控制
加热控制流程图如图7所示。
5实验结果
5.1模拟风场测试数据
在模拟风场环境下，主要与计量中心计量合格的德国lufft气象站的风速测量值进行对比。测量数据如表1所示。
表1测量数据表2计量数据
5.2气象局计量中心计量数据（见表2）
测试结果符合气象计量中心对风速测试设备的指标要求。
6结论
超声波风速风向检测设备以其独特的优点在气象行业、农林水利、电力环境、海洋环境等领域已被广泛应用。目前国内超声波测风设备主要从国外，价格高昂。
本文设计的超声波风速、风向测试仪在提高测试仪稳定性、可靠性、精度的同时，也高度重视设备的功耗。通过大量实验测试及计量中心测试，证明了该超声波风速、风向测试仪的精度及可靠性，且本文设计的风速、风向测试仪与国内外同行产品相比，功耗较低（0.2w）、性价比高。
在人机交互方面，通过R485通信接口，可进行参数配置及风速补偿，并能实时监测及查询测量记录，应用比较灵活。该超声波风速、风向测试仪进入国内市场后，必将给市场带来一定的冲击。
[1]王保强，李一丁.超声波风速风向检测技术的研究[J].声学技术，2008，27（4）：1-5.
[2]甘江英，龚兆岗，张小花，等.基于SOPC技术的超声波风速风向测量系统设计[J].上海海事大学学报，2009，30（4）：75-80.