第四节 超声波

第四节超声波教学目标1、了解超声波的概念。

2、初步认识超声波的应用。

3应用所学知识解决生活中简单的问题，激发学习兴趣。

4、简单介绍次声波的产生。

5、培养学生的阅读能力。

教学重点1、了解超声波的特点。

2、初步认识超声波的应用。

教学难点1、超声波在生产生活中的应用。

教学过程一、要求学生阅读课文第59页内容，回答下面的问题。

1.什么叫超声波？2.超声波有哪些特性？又有哪些应用？二、在学生回答问题的基础上，作如下归纳、总结。

（一）超声波1. 定义：频率高于20000Hz的声波，人类听不到，但某些动物可以感受到。

2. 特性及应用：a.方向性强。

探测海水的深度、鱼群的位置。

（看书第59页图4-21和4-22）超声波频率非常高，波长很短，近似为直线传播，具有方向性强的特点，可以定向发射，同时能够反射、折射，利用这些特点可以探测海水的深度、鱼群的位置。

b.穿透能力强，可以用于探伤。

超声波的穿透能力很强，能穿透几米厚的金属。

在工业中使用超声探伤仪，可以利用它对金属、水库堤坝进行探伤。

（看书第59页图4-23）C.在液体中传播时，能使液体内部液压冲击。

清洗、加工和消毒，能够把细小物品表面的污垢除掉，用它洗眼镜更显出优越性，还可以制成超声雾化器进行加湿。

d.能发生反射和折射。

应用于“B超”检查。

利用超声波的反射、折射可应用于医疗，对人体内部的各种器官进行检查。

如“B超”，在屏幕上生成的声学图象，可以观察到胎儿和脏器，帮助医生作出诊断，同时医生还可用超声波击碎人体内的胆结石，使之可以顺畅地排出体外。

超声波的应用除了上面介绍的之外，还有很多其他方面的应用，如：超声波测速仪。

请同学们看书第60页的“科学窗”，了解一下如何利用超声波测速仪来测定运动物体的速度。

除了超声波之外，还有次声波，下面我们就简单地介绍一下次声波。

（二）次声波1.定义：频率低于20Hz的声波。

2.产生：台风、地震、核爆炸、火箭发射等都能产生。

3.特性：频率低、波长长、传播距离远。

我们生活的空间，充满着各类声音，有些声音弱如虫鸣；有些则强如炮轰；有些声音尖如汽笛；有些又沉如闷雷；有些声音悦耳动听；有些却吵闹难忍。

声音的性质是如何确定的呢？原来声音的大或小，与"声压"有关；声音的尖或沉，与"音频"高低有关；声音是悦耳还是吵杂，与"音调"是否和谐有关。

音频就是声音的频率。

一般地说，振动频率在20Hz到20000Hz之间的波动人类是可以听到的，因此称为声波，20Hz以下和20000Hz以上分别属于次声和超声的范围，人耳是不能听到的。

在声波范围内，随着频率的增加音调由低变高，但是在不同频段，人耳的感受力并不一致。

一般情况下，音频在1000Hz以下，随着频率的降低，听觉会逐渐迟钝。

因此，人耳对低频噪声较容易忍受，而对高频噪声则感觉较敏锐，耐受力差。

若长期生活在偏高频率的巨响环境中，会引起耳朵部分或严重失聪。

声音在空气中能够传播出去，是由于振动物体通过振动造成周围空气的局部压强变化，这个压强变化使周围空气产生局部的密度变化，局部密度变化又造成较远部分空气压强的变化，如此下去，就把这个压强变化向更远的部分传递出去，这样就造成了声音的传播。

在声音传播过程中，空气压强相对于大气压强的压强变化，称为声压，其单位为帕(Pa)。

人类的听觉领域相当广阔，平均大约是从2×10-5 ~ 20Pa左右。

也就是说，我们能听到一个最强声源的音量，有可能是一个最弱声源的20万倍。

一般是用声压级来表达声量的大小，其单位为分贝(dB)，即
，其中。

我们日常生活中所听到的声音，其声压级在0 ~ 140dB左右。

第四节超声波加工人耳能感受到的声波频率在16—16000Hz范围内。

当声波频率超过16000Hz时，就是超声波。

前两节所介绍的电火花加工和电解加工，一般只能加工导电材料，而利用超声波振动，则不但能加工像淬火钢、硬质合金等硬脆的导电材料，而且更适合加工像玻璃、陶瓷、宝石和金刚石等硬脆非金属材料。

1．超声波加工原理超声波加工是利用工具端面的超声频振动，或借助于磨料悬浮液加工硬脆材料的一种工艺方法。

超声波发生器产生的超声频电振荡，通过换能器转变为超声频的机械振动。

变幅杆将振幅放大到0.01一0.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动。

在加工过程中，有“超声空化”现象产生。

因此，超声波加工过程是磨粒在工具端面的超声振动下，以机械锤击和研抛为主，以超声空化为辅的综合作用过程.2．超声波加工的特点(1)超声波加工适宜加工各种硬脆材料，尤其是利用电火花和电解难以加工的不导电材料和半导体材料，如玻璃、陶瓷、玛瑙、宝石、金刚石以及锗和硅等。

对于韧性好的材料，由于它对冲击有缓冲作用而难以加工，因此可用作工具材料，如45钢常被选作工具材料。

(2)由于超声波加工中的宏观机械力小，因此能获得良好的加工精度和表面粗糙度。

尺寸精度可达0.02～0.01mm；表面粗糙度R a值可达0.8一0.1μm。

(3)采用的工具材料较软，易制成复杂形状，工具和工件无需作复杂的相对运动，因此普通的超声波加工设备结构较简单。

但若需要加工复杂精密的三维结构，可以预见，仍需设计与制造三坐标数控超声波加工机床。

二、超声波加工的基本工艺规律1．加工速度及其影响因素加工速度指单位时间内去除材料的多少，通常以g／min或mm3／min为单位表示。

影响加工速度的主要因素有：(1)进给压力的影响超声波加工时，工具对工件应有一个适当的进给压力。

工具端面与工件加工表面间的间隙随进给压力的大小而改变。

压力减小，间隙增大，从而减弱磨料对工件的锤击力；压力增大，间隙减小，当间隙减小到一定程度，则会降低磨料和工作液的循环更新速度，从而降低加工速度。

第一章 超声波探伤的物理基础第四节 超声平面在平界面上斜入射的行为超声平面波以一定的倾斜角入射到异质界面上时，就会产生声波的反射和折射、并且遵循反射和折射定律。

在一定条件下，界面上还会产生波型转换现象。

一、斜入射时界面上的反射、折射和波型转换(1) 超声波在固体界面上的反射1. 固体中纵波斜入射于固体——气体界面图1–25中，L α为纵波入射角，1L α为纵波反射角，1S α为横波反射角，其反射定律可用下列数学式表示：1S 1S 1L 1L L L sin C sin C sin C α=α=α (1–34) 因入射纵波L 与反射纵波L 1在同一介质内传播，故它们的声速相同，即1L L C C =，所以1L L α=α。

又因同一介质中纵波声速大于横波声速，即1S 1L C C ＞，所以1S 1L αα＞。

2. 横波斜入射于固体——气体界面图1–26中，S α为横波入射角，1S α为横波反射角，1L α为纵波反射角。

由反射定律可知：1L 1L 1S 1S S S sin C sin C sin C α=α=α (1–35)图1–25 纵波斜入射 图1–26 横波斜入射因入射横波S 与反射横波S 1在同一介质内传播，故它们的声速相同，即1S S C C =，所以1S S α=α。

又因同一介质中1S 1L C C ＞，所以，1S 1L αα＞。

结论：当超声波在固体中以某角度斜入射于异质面上，其入射角等于反射角，纵波反射角大于横波反射角，或者说横波反射声束总是位于纵波反射声束与法线之间。

图(1–27)表示钢及铝材中纵波入射时的横波反射角，也可以看成横波入射时的纵波反射角。

(2) 超声波的折射 1. 纵波斜入射的折射图1–28中L α为第一介质的纵波入射角，L β为第二介质的纵波折射角，S β为第二介质的横波折射角，其折射定律可用下列数学式表示：S2S L 2L L L sin C sin Csin C β=β=α (1–36)图1–27 钢及铝村中纵波入射时的横波反射角(或横波入射时的纵波反射角) 图1–28 纵波斜入射在第二介质中，因2S 2L C C ＞，所以S L sin sin ββ＞，S L ββ＞，横波折射声束总是位于纵波折射声束与法线之间。

教法建议
本节内容可分为两个阶段一是应鼓励学生自己从生活中的感知或利用internet来查阅超声波的实例和工作原理．二是利用多媒体的优势，在物理教学中以小组为单位，分别负责超声波在某一方面的应用（教师事先给出范围），由学生自己提出问题，自己讲解，对学生而言，既完成了学习任务，拓展了知识面，又提高了学习兴趣．这样有助于学生了解高新科学技术的发展及应用，培养和增强创新意识及实践能力，促进知识、能力、素质的综合提高．。

北师大版八年级物理上册一本通同步作业：第四章声现象第四节超声波填空题人耳所能听到声波的频率的频率范围通常在_____Hz至_______Hz之间，频率高于_______Hz的声波叫做超声波，频率低于_______Hz的声波叫做次声波.【答案】? 20? 20000? 20000? 20【解析】解答：人耳的听觉范围是20Hz?20000Hz，其中高于20000Hz的声波是超声波，低于20Hz的声波叫做次声波。

昆虫飞行时翅膀都要振动，蝴蝶每秒振翅5～6次，蜜蜂每秒振翅300～400次，当它们都从你身后飞过时，凭你的听觉（）A. 能感到蝴蝶从你身后飞过B. 能感到蜜蜂从你身后飞过C. 都能感到它们从你身后飞过D. 都不能感到它们从你身后飞过【答案】B【解析】物体每秒振动的次数叫做频率，频率低于20赫兹或高于20000赫兹的声音人是听不到的，所以不能感觉到蝴蝶，只能感觉到蜜蜂，故应选B。

选择题下面关于超声波或超声波的利用的说法中，不正确的是（）A. 蝙蝠能发出超声波B. 超声波的传播不需要介质C. 可以利用超声波的反射探测海洋深度D. 可以利用B型超声仪检查身体【答案】B【解析】试题分析：声音频率在20Hz?2万Hz是人耳能够听到的声音频率范围，高于2万Hz的声音叫超声波，低于20Hz的是次声波，蝙蝠发出的声音是超声波，我们可以利用超声波探测海洋的深度，可以利用超声波检查身体，因此ACD是正确的，B超声波的传播也需要介质，因此B不正确，选B。

选择题用“B超”机是利用超声波来诊断病情的，但人们听不到它发出的声音，这是因为（）A. 声音太小B. 超声波无法传入人耳C. 超声波的频率小于人能听到的声音的频率D. 超声波的频率大于人能听到的声音的频率【答案】D【解析】解答：超声波的频率高于20000Hz，此声音的频率范围超过人耳能听到的频率范围，所以无法听到。

故选D.填空题空难发生后，搜救人员运用声呐设备探测坠入大海中的飞机残骸，实际上就是利用了________来测距定位的，同时也说明______可以传声。