超声波工作原理
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2023年3月17日发(作者：销售电价)新疆大学课程大作业
题目：超声波的原理与应用
姓名：xxxx
学院：电气工程学院
专业：电气工程及其自动化
班级：电气xx-x班
完成日期：2012年11月27日
超声波的原理与应用
概述：
超声波是一种机械波。声的发生是由于发声体的机械振动，引起周围弹性介
质中质点的振动由近及远的传播，这就是声波。人耳所能听闻的声波其频率在
20～20000Hz之间，频率在20～20000Hz以外的声波不能引起声音的感觉。频率
超过20000Hz的叫做超声波，频率低于20Hz的叫做次声波。超声波的频率可以
高达911Hz，而次声波的频率可以低达9-8Hz。
早在1830年，F·Savart曾用齿轮，第一次产生24000HZ的超声，1876年
F·Galton用气哨产生30000Hz的超声。1912年4月10日，泰坦尼克号触冰山
沉没，引起科学界注意，希望可以探测到水下的冰山。直到第一次世界大战中，
德国大量使用潜艇，击沉了协约国大量舰船，探测潜艇的任务又提到科学家的面
前[1]。当时的科学家郎之万和他的朋友利用当时已出现的功率很大的放大器和石
英压电晶体结合起来，能向水下发射几十千赫兹的超声波，成功的将超声波应用
到实际中。
现在，超声波测试把超声波作为一种信息载体，它已在海洋探测与开发、
无损检测、医学诊断等领域发挥着不可取代的独特作用。例如：在海洋应用中，
超声波可以用来探测鱼群和冰山，可以用于潜艇导航或传送信息、地形地貌测绘
和地质勘探等。在检测中，利用超声波检测固体材料内部缺陷、材料尺寸测量、
物理参数侧量等。在医学中，可以利用超声波进行人体内部器官的组织结构扫描
和血流速度的测量等。
超声波工作原理
这次做机器人用到了超声波，才开始看它的工作原理，感觉还很简单，但是
调试到最后，发现了很多问题，该碰到的都碰到了。赶紧写出来分享给大家。
先把超声波的工作原理贴出来：
其实只要单片机的两个引脚就足够，一个引脚接发送端，一个引脚接接收端
即可。工作时，发送端引脚置高电平10us时间的脉冲，这将激发超声波模块发
送8个40khz周期的电平信号，然后模块的收端开始检测回波（实际上，两个眼
睛，一个是发送的，一个是用来接收的）。一旦发现有回波信号，就会输出一个
响应给接收端引脚，这个响应是一个高电平脉冲。所以，我们只要在接收端去检
测是否有高电平脉冲即可。
但从程序编写与调试的过程来看，并没有那么简单。因为超声波第一次发送
40KHZ的信号出去后反射回来，有可能又被反弹回去，这样以来，相当于超声波
在两个障碍物之间不断地来回反弹，导致接收端不断地收到”回波信号“——实
际上第一次反弹回来的才是回波信号，其他的都是二次、三次...的反弹回波信
号。如果每次检测到回波就让蜂鸣器响一次，那么，我们程序运行时，可能会听
到蜂鸣器不断地响，可能就是这个原因。
另外，需要关注的是，超声波如果前面没有障碍物，也会在接收端引脚上故
意输出140us的电平，以”防止发射信号对回响信号的影响“。
从上面的分析看来，不管超声波前面有无障碍物，接收端引脚肯定都会出现
高电平脉冲。所以我们在编程时，必须过滤掉这140us。
超声波的传播
超声波是波的一种，他的传播完全符合波的传播特点。所以超声波在介质中
传播的波形取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质激发超声波。通常有
如下三种波形[5]:
纵波波形：当媒质中各体元振动的方向与波传播的方向平行时，此超声波为
纵波波形。任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。
横波波形：当媒质中各体元振动的方向与波传播的方向垂直时，此种超声波
为横波波形。由于媒质除了能承受体积变形外，还能承受切变变形，因此，当其
有剪切应力交替作用于媒质时均能产生横波。横波只能在固体介质中传播。
表面波波形：是沿着两种媒质的界面传播的具有纵波和横波的双重性质的波。
表面波可以看成是由平行于表面的纵波和垂直于表面的横波合成,振动质点的
轨迹为一椭圆，在距表面1/4波长深处振幅最强，随着深度的增加很快衰减，实
际上离表面一个波长以上的地方，质点振动的振幅已经很微弱了。
平面简谐波方程
平面波传播时，若媒质中体元均按余弦（或正弦）规律运动，叫平面简谐波。
这是最基本的波动形式，一些复杂的波可视为平面简谐波的叠加。
平面简谐波方程定量的描述出每个体元的运动学状态，解决平面简谐波的运
动学问题。
设平面简谐波沿x轴传播，y为体元距平衡位置的位移，则：
)(cos)(cosxvtkA
v
x
tAy
(2.1)
2/2T
(2.2)
式中，A为振幅，
为圆频率,取决于波源频率
。
2
v
k
,常称为波数。
平面简谐波波动方程
要深刻了解超声波，仅从运动学角度研究还不够，也要对波作动力学分析才
能看到波传播的机制并能进一步研究超声波[4]。下面简单介绍下波动方程与波
速。
(1)波动方程
横波的波动方程：
22
22
yNy
tx
(2.3)
式中N为剪切模量，
为媒质密度。
纵波的波动方程:
22
22
yYy
tx
(2.4)
式中Y为杨氏模量
(2)波速
对式（2.1）做偏导数运算，并带入式（2.3）可得横波的波速：
vN
横(2.5)
同理可得
vY
纵(2.6)
流体中纵波的波速为
vK
纵(2.7)
式中K为流体的体变模量，且与热过程有关
波的反射、折射以及驻波
一列波从媒质1垂直入射媒质2在边界上形成反射和折射。
当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量
反射回原介质，称为反射波；另一部分能量透射过界面，在另一个介质内部继续
传播，称为折射波，为描述反射和折射现象，我们引如r和p分别表示反射和折
射系数，r和p均与媒质1和2的波阻或声阻1
z
和2
z
有关，反射系数为
2
12
12
zz
r
zz
，另外，p=1-r。由此可见，两媒质波阻相差不多，则主要是透射；
两媒质波阻相差悬殊，主要是反射。
如图2.2所示。图中L为入射波，S1为反射横波，L1为反射纵波，L2为折射
纵波，S2为折射横波。
图2.2
这些物理现象均遵守反射定律、折射定律。除了有纵波的反射波折射波以外，
还有横波的反射和折射，并且在一定条件下还能产生表面波。
波的叠加和干涉
两列波互相独立的传播，在两列波的相遇处体元的位移等于各列波单独传播
时在该处引起的位移的矢量和，叫作波的叠加原理[4]。
若两列波满足一定条件，则两波相遇时各空间点的合振动能各自保持恒定振
幅而不同位置各点以大小不同的合振幅振动，叫作波的干涉。当两列波振动方向
相同、频率相同且在各空间点保持固定的相位差，才能实现干涉现象所要求的空
间各点震动的强弱具有确定的分布。形成波的干涉现象的两列波叫作相干波，形
成波的干涉的条件叫作相干条件。
振幅相同、而传播方向相反的两列简谐相干波叠加得到的振动称为驻波。其
方程为：
2
(2cos)cosyAxt
(2.14)
超声波清洗中，常使用超声波在清洗槽内形成驻波，以引起各种本征振荡，
达到清洗目的。
超声波的特点
束射特性
由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚
焦，而且．遵守几何光学上的定律。即超声波射线从一种物质表面反射时，入射
角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折
射，也就是要改变它的传插方向，两种物质的密度差别愈大，则折射也愈大。
吸收特性
声波在各种物质中传播时，随着传播距离的增加，强度会渐进减弱，这是因
为物质要吸收掉它的能量。
对于同一物质，声波的频率越高，吸收越强。
对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收最历害，在液体中传播时吸收比
较弱，在固体中传播时吸收最小。
超声波的能量传递特性
超声波所以往各个工业部门中有广泛的应用，主要之点还在于比声波具有强
大得多的功率。为什么有强大的功率呢?因为当声波到达某一物资中时，由于声
波的作用使物质中的分子也跟着振动，振动的频率和声波频率—样，分子振动的
频率决定了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。物资分子由于振动所获得的能
量除了与分子的质量有关外，是由分子的振动速度的平方决定的,所以如果声波
的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量、超声波的频率比声波可以高
很多，所以它可以使物资分子获得很大的能量；换句话说，超声波本身可以供给
物质足够大的功率。
超声波的声压特性
当声波通入某物体时,由于声波振动使物质分子产生压缩和稀疏的作用，将使
物质所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。
由于超声波所具有的能量很大，就有可能使物质分子产生显诸的声压作用、
例如当水中通过一般强度的超声波时，产生的附加压力可以达到好几个大气压
力。液体中存起着如此巨大的声压作用，就会引起值得注意的现象。当超声波
振动使液体分子压缩时，好象分子受到来直四面八方的压力；当超声波振动使液
体分子稀疏时，好象受到向外散开的拉力，对于液体，它们比较受得住附加压力
的作用，所以在受到压缩力的时候；不大会产生反常情形。但是在拉力的作用下，
液体就会支持不了,在拉力集中的地方，液体就会断裂开来，这种断裂作用特
别容易发生在液体中存在杂质或气泡的地方，因为这些地方液体的强度特别低，
也就特别经受不起几倍于大气压力的拉力作用。由于发生断裂的结果，液体中会
产生许多气泡状的小空腔，这种空泡存在的时间很短，一瞬时就会闭合起来。空
腔闭合的时候会产生很大的瞬时压力，一般可以达到几千甚至几万个大气压力。
液体在这种强大的瞬时压力作用下，温度会骤然增高。断裂作用所引起的互大
瞬时压力，可以使浮悬在液体中的固体表面受到急剧破坏。我们常称之为空化
现象
超声波的应用
超声波在工农业生产中有极其广泛的应用。包括超声波检测、超声波探伤、
功率超声、超声波处理、超声波诊断、超声波治疗等。超声波在工业中可用来对
材料进行检测和探伤，可以测量气体、液体和固体的物理参数，可以测量厚度、
液面高度、流量、粘度和硬度等，还可以对材料的焊缝、粘接等进行检查。超声
波清洗和加工处理可以应用于切割、焊接、喷雾、乳化、电镀等工艺过程中。超
声波清洗是一种高效率的方法，已经用于尖端和精密工业。大功率超声可用于机
械加工，使超声波在拉管、拉丝、挤压和铆接等工艺中得到应用。应用在医学中
的超声波诊断发展甚快，已经成为医学上三大影象诊断方法之一，与X线、同位
素分别应用于不同场合，例如超声波理疗、超声波诊断、肿瘤治疗和结石粉碎等。
在农业中，可以用超声波对有机体细胞的杀伤的特性来进行消毒灭菌，对作物种
子进行超声波处理，有利于种子发芽和作物增产。此外超声波的液体处理和净化
可应用于环境保护中，例如超声波水处理、燃油乳化、大气除尘等。微波超声的
重点放在微波电子器件，已经制成了超声波延迟线、声电放大器、声电滤波器、
脉冲压缩滤波器等。
下面，就对超声波的几个典型应用加以描述。
超声波测液位
超声波液位测量主要是以超声波测距为原理，加上合理的设计，得到液位测
距仪，最简单的是测量水位。
如图3.2所示，在离水塔底部高H处，安装设计好的超声波液位计。液位计
向水面垂直发出超声波，当超声波遇到水面经液面向上反射到液位计，液位计接
收到反射回的超声波时，由单片机CFU算出超声波往返一次所用的时间，即可算
出液位计到水面的距离L，液位高度可由公式：h=H-Vt/2算出。其中，V为超声
波在空气中的传播速度，t为超声波由液位计到水面往返一次的时间。
图3.2
利用超声波发生器，实现一定频率的振荡是很容易的，并且方法有多种，取
液位计与水面的距离为适当的高度，可令超声波发出去后能有效的返回，让接收
器收到信号，送到微处理器，经微处理器处理所得的数据，即可算出水位高度。
超声波在空气中一般可以实现有效传播，只要外部的环境不是特别的恶劣，所受
到的干扰并不是很大，测量结果不会有太大的误差。
超声波在医疗方面的应用
医学上最早利用超声波是在1942年，奥地利医生杜西克首次用超声技术扫描
脑部结构；以后到了60年代医生们开始将超声波应用于腹部器官的探测【14】。如
今超声波扫描技术已成为现代医学诊断不可缺少的工具。
医学超声波检查的工作原理与声纳有一定的相似性，即将超声波发射到人体
内，当它在体内遇到界面时会发生反射及折射，并且在人体组织中可能被吸收而
衰减。因为人体各种组织的形态与结构是不相同的，因此其反射与折射以及吸收
超声波的程度也就不同，医生们正是通过仪器所反映出的波型、曲线，或影象的
特征来辨别它们。此外再结合解剖学知识、正常与病理的改变，便可诊断所检查
的器官是否有病。
目前，医生们应用的超声诊断方法有不同的形式，可分为A型、B型、M型及
D型四大类[15]。
A型：是以波形来显示组织特征的方法，主要用于测量器官的径线，以判定
其大小。可用来鉴别病变组织的一些物理特性，如实质性、液体或是气体是否存
在等。
B型：用平面图形的形式来显示被探查组织的具体情况。检查时，首先将人
体界面的反射信号转变为强弱不同的光点，这些光点可通过荧光屏显现出来，这
种方法直观性好，重复性强，可供前后对比，所以广泛用于妇产科、泌尿、消化
及心血管等系统疾病的诊断。
M型：是用于观察活动界面时间变化的一种方法。最适用于检查心脏的活动
情况，其曲线的动态改变称为超声心动图，可以用来观察心脏各层结构的位置、
活动状态、结构的状况等，多用于辅助心脏及大血管疫病的诊断。
D型：是专门用来检测血液流动和器官活动的一种超声诊断方法，又称为多
普勒超声诊断法。可确定血管是否通畅、管腔有否狭窄、闭塞以及病变部位。新
一代的D型超声波还能定量地测定管腔内血液的流量。近几年来科学家又发展了
彩色编码多普勒系统，可在超声心动图解剖标志的指示下，以不同颜色显示血流
的方向，色泽的深浅代表血流的流速。现在还有立体超声显象、超声CT、超声
内窥镜等超声技术不断涌现出来，并且还可以与其他检查仪器结合使用，使疾病
的诊断准确率大大提高。超声波技术正在医学界发挥着巨大的作用，随着科学的
进步，它将更加完善，将更好地造福于人类。
超声波在军事方面的应用
1、超声波探雷侦查
探地雷达是利用发射天线向地下介质发射广
谱、高频电磁波（超声波的一种），当电磁波遇到
电性（介电常数、电导率、磁导率）差异界面时，
发生反射、折射、绕线的现象，反射波被地面雷达
天线接收并记录到仪器内，采用相应的雷达信号处
理软件进行处理，然后根据处理后的数据图像，推测军事目标的方位等信息
2、超声波武器
超声武器则利用高能超声波发生
器，产生高频声波，造成强大的空气压
力，使人产生视觉模糊、恶心等生理反
应，使对方战斗力减弱或完全丧失。
3、超声波传感器
超声波传感器是利用超声波的特性
研制而成的传感器。超声波是一种振动
频率高于声波的机械波，由换能晶片在
电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方
向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，
尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界
面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。
结论
超声波是一个应用性和边缘性很强的学科，从它一百多年来的发展可以看出，
超声学是随着它在国防、工农业生产、医学、基础研究等领域中应用的不断深入
而得到发展的。它不断借鉴电子学、材料科学、光学、固体物理等其他学科的内
容，而使自己更加丰富。同时，超声学的发展又为这些学科的发展提供了一些重
要器件和行之有效的研究手段。如超声探伤和超声成像技术都是借鉴了雷达的原
理和技术而发展起来的，而超声的发展又为电子学、光电子学、雷达技术的发展
提供了超声延迟线、滤波器、卷积器、声光调制器等重要的体波和表面波器件。
但是，超声学仍是一门年轻的学科，其中存在着许多尚待深入研究的问题，
对许多超声应用的机理还未彻底了解，况且实践还在不断地向超声学提出各种新
的课题，而这些问题的不断提出和解决，都已表明了超声学是在不断向前发展。
参考文献
[1]电网通信技术曹宁中国水利水电出版社
[2]百度文库超声波的原理及其应用地址：/submit
[3]百度文库超声波工作原理地址：/submit
[4]百度文库超声波原理地址：/submit
[5]百度文库超声波原理及其应用小论文