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第一章 超声物理基础2

§1．1超声学名词术语 张德俊2

1．1．1一般术语2

1．1．2检测超声术语5

1．1．3功率超声术语8

1．1．4医学超声术语9

1．1．5超声电子学术语11

1．1．6水下超声应用术语13

1．1．7超声非线性术语16

§1．2超声的基本量、符号、单位及物理关系16

1．2．1声压与质点速度17

1．2．2．1气体中的声速18

1．2．2声速18

1．2．2．2液体中的声速19

1．2．2．3固体中的声速20

1．2．3声阻抗与声阻抗率22

1．2．4声功率23

1．2．5声强24

1．2．6声辐射压力25

1．2．7声衰减与吸收26

1．2．7．1吸收衰减26

1．2．7．2散射衰减27

1．2．7．3扩散衰减27

1．2．8超声空化阈值27

1．2．9超声的非线性参量28

1．2．10．3声压级30

1．2．10．2声强级30

1．2．10．4其他电声参量的级30

1．2．10级与分贝30

1．2．10．1声功率级30

1．2．10．5分贝运算31

§1．3超声波的基本波型——波动方程及其解33

1．3．1流体中的波动方程33

1．3．1．1流体中的平面波33

1．3．1．2流体中的球面波35

1．3．1．3流体中的柱面波36

1．3．2固体中的波动方程37

1．3．2．1固体中的压缩波39

1．3．2．2固体中的切变波39

§1．4超声的产生与接收40

1．4．1自然界中动物的超声发射与接收40

1．4．2产生与接收超声的基本技术与设备41

1．4．2．1机械式超声产生设备41

1．4．2．3磁致伸缩型超声换能器42

1．4．2．2压电型超声换能器42

1．4．2．4光声型超声产生与接收设备43

1．4．2．5接收超声的基本技术与设备44

§1．5声-电-力类比44

1．5．1声-电-力参量及元件的类比关系44

1．5．2压电换能器的梅森等效电路46

1．5．3压电换能器的克里姆霍尔兹等效电路47

§1．6超声在气、液、固体媒质中的传播48

1．6．1单源换能器的辐射声场48

1．6．2换能器阵列的辐射声场51

1．6．2．1乘积定理计算法51

1．6．2．2傅里叶变换法52

§1．7超声在不同媒质界面上的反射、透射及波型转换54

1．7．1声波入射到两种非固体媒质平界面上54

1．7．2声波入射到液-固媒质的平界面上56

1．7．4声波通过三重媒质平面层57

1．7．3声波入射到固-液、固-固媒质的平界面上57

1．7．5声波通过多重媒质平面层59

§1．8超声在有限尺寸波导中的传播59

1．8．1固体自由面上的表面波59

1．8．2固体薄板内的兰姆波62

§1．9超声波的干涉与衍射63

1．9．1超声的干涉64

1．9．2超声的衍射65

§1．10超声波的散射与逆散射66

1．10．1超声波的散射66

1．10．1．1液体球的声散射66

1．10．1．2刚性小球的声散射67

§1．11超声多普勒效应69

1．11．1多普勒效应69

1．10．2超声波的逆散射69

1．11．2马赫数对多普勒效应的影响72

§1．12超声的非线性效应73

1．12．1非线性声学的基本方程74

1．12．2超声的某些非线性效应75

1．12．2．1非线性声参量75

1．12．2．2波形畸变与谐波滋生76

1．12．2．3附加衰减与声饱和76

1．12．2．4其他超声非线性效应78

§1．13超声空化及其效应78

1．13．1空化核79

1．13．2空化气泡的运动80

1．13．3空化气泡的闭合与反跳82

1．13．4空化的基本效应83

1．13．4．1高温效应83

1．13．4．2放电效应84

1．13．4．3发光效应86

1．13．4．5其他有趣的效应88

1．13．4．4压力效应88

§1．14超声与物质的相互作用89

1．14．1超声的机械作用90

1．14．2超声的热作用90

1．14．3超声的生物医学作用91

1．14．4超声的化学作用91

1．14．5超声与光的相互作用91

§1．15超声连续波与脉冲波91

§1．16超声技术应用的基本分类93

参考文献95

2．1．1．1弹性模量98

2．1．1．4复数模量98

2．1．1．3各个模量之间的关系98

2．1．1．2静态模量与动态模量98

2．1．1用力学量描述材料的基本特性98

§2．1材料（媒质）声学特性的表征 牛凤岐98

第二章 超声工程材料98

2．1．2用声学量描述材料的基本特性100

2．1．2．1描述材料声学特性的基本参量100

2．1．2．2声学材料研究与应用中的常见波型100

2．1．2．3声学量与力学量的关系100

2．1．2．4复数声速和复数声阻抗率101

2．1．2．5复数声速与复数模量的相互换算101

2．1．2．6复数条件下的声阻抗匹配问题102

§2．2材料（媒质）声学特性的测量方法102

2．2．1密度测量方法102

2．2．1．1固体材料102

2．2．1．2有形状凝胶材料103

2．2．1．3无形状凝胶材料103

2．2．2．1适用于数十千赫以下频段的方法104

2．2．1．4液体媒质104

2．2．2纵波声速和衰减系数的测量方法104

2．2．2．2适用于数百千赫以上频段的方法105

2．2．3横波声速和衰减系数的测量方法107

2．2．3．1适用于20kHz以下频段的方法107

2．2．3．2适用于100kHz以上频段的方法108

2．2．4拉伸波声速与衰减系数的测量109

2．2．4．1自由梁弯曲共振法109

2．2．4．2自由杆拉伸共振法110

2．2．4．3拉伸行波法110

§2．3材料（媒质）的自然分类与特点111

2．3．1金属111

2．3．2无机非金属114

2．3．3高分子材料117

2．3．3．1概述117

2．3．3．2塑料118

2．3．3．3泡沫塑料127

2．3．3．4固体填充塑料131

2．3．3．5橡胶132

2．3．4液体142

2．3．4．1纯液体142

2．3．4．2混合液体146

2．3．4．3溶液148

2．3．4．4悬浮液148

§2．4超声工程材料的用途及选择制造150

2．4．1吸声材料与结构150

2．4．1．1吸声材料与结构的定义150

2．4．1．2吸声材料与结构的用途和基本要求150

2．4．1．3水中用吸声材料151

2．4．1．4水中吸声结构153

2．4．2．3典型应用中的选材与设计157

2．4．2．2透声材料与结构的用途和基本要求157

2．4．2透声材料与结构157

2．4．2．1透声材料与结构的定义157

2．4．3折声材料与声透镜160

2．4．3．1折声材料与声透镜的定义160

2．4．3．2折声材料与声透镜的用途和基本要求160

2．4．3．3聚焦声透镜常用材料160

2．4．3．4声透镜的设计——声焦距与几何焦距161

2．4．4声阻抗匹配层材料162

2．4．4．1声阻抗匹配层材料的定义162

2．4．4．2匹配层材料的用途和基本要求162

2．4．4．3匹配层材料的选择与设计制做164

2．4．5背衬材料164

2．4．5．1背衬材料的定义164

2．4．5．2背衬材料的用途和基本要求164

2．4．5．3背衬材料的实用选择与设计制造165

2．4．6去耦材料166

2．4．6．1去耦材料的定义166

2．4．6．2去耦材料的用途和基本要求166

2．4．6．3去耦材料的实用选择166

2．4．7透声液167

2．4．7．1透声液的定义167

2．4．7．2透声液的用途和基本要求167

2．4．7．3透声液的实用选择168

2．4．8超声耦合剂168

2．4．8．1超声耦合剂的定义168

2．4．8．2超声耦合剂的用途和基本要求168

2．4．8．3检测用超声耦合剂169

2．4．8．4医用超声耦合剂169

2．4．9．1超声仿人体组织材料170

2．4．9超声仿人体组织材料与超声体模170

2．4．9．2超声体模172

2．4．10医用超声造影剂175

2．4．10．1医用超声造影剂的定义175

2．4．10．2医用超声造影剂的用途和基本要求175

2．4．10．3已应用的超声造影剂175

小结176

参考文献177

第三章 超声换能器184

§3．1磁致伸缩效应及磁致伸缩材料 卜书中184

3．1．1磁致伸缩效应184

3．1．1．1磁滞回线184

3．1．1．2涡流损耗185

3．1．1．3磁致伸缩效应185

3．1．1．4磁致伸缩效应的机理187

3．1．2．1磁致伸缩方程式188

3．1．2磁致伸缩方程式188

3．1．2．2机电耦合系数189

3．1．2．3有效弹性模量190

3．1．3磁致伸缩材料190

3．1．3．1常用磁致伸缩材料190

3．1．3．2磁致伸缩材料的特性190

§3．2压电效应及压电换能器192

3．2．1压电效应192

3．2．1．1概述192

3．2．1．2压电效应的描述192

3．2．1．3晶体压电效应的解释192

3．2．1．4压电陶瓷压电效应的解释194

3．2．2压电方程198

3．2．2．1压电体的介电性198

3．2．2．2压电体的弹性特性201

3．2．2．3压电方程206

3．2．3压电材料209

3．2．3．1石英晶体210

3．2．3．2其他压电单晶体212

3．2．3．3晶体结构215

3．2．3．4压电陶瓷216

3．2．3．5压电半导体225

3．2．3．6压电高分子聚合物226

3．2．3．7压电复合材料228

3．2．4厚度振动压电换能器230

3．2．4．1概述230

3．2．4．2超声压电换能器的结构230

3．2．4．3厚度伸缩振动模式的压电薄板231

3．2．4．4厚度切变振动模式的薄板232

3．2．4．5厚度振动换能器的稳态工作233

3．2．4．6纵向厚度振动模式换能器的瞬态性能235

3．2．4．7径、厚耦合时压电圆片的等效电路238

3．2．4．8应电压239

3．2．5其他类型的压电换能器240

3．2．5．1不同振动模式的压电元件240

3．2．5．2压电振子的导纳圆245

3．2．5．3长度振动模式换能器246

3．2．5．4圆柱形换能器248

3．2．5．5增压式换能器249

3．2．5．6弯曲圆盘换能器250

3．2．5．7纵向振子与圆盘组成的弯曲振动超声换能器251

3．2．5．8圆管的扭转振动252

§3．3换能器阵254

3．3．1形成换能器和换能器阵指向性的物理原因254

3．3．2．1指向性函数255

3．3．2指向性的表征255

3．3．2．2指向性图256

3．3．2．3描述指向性的参量257

3．3．3简单基阵的指向性257

3．3．3．1多元线阵换能器的指向性257

3．3．3．2均匀连续直线换能器的指向性258

3．3．3．3点源均匀圆弧阵258

3．3．3．4点源椭圆阵259

3．3．3．5平面环259

3．3．3．6圆形活塞259

3．3．3．7椭圆活塞260

3．3．3．8矩形活塞260

3．3．3．9球体阵260

3．3．4．1乘积定理261

3．3．4．2线列阵组合平面阵261

3．3．4复合阵的指向性261

3．3．3．10球壳阵261

3．3．4．3线阵组合平面阵262

3．3．4．4条形阵组合平面阵262

3．3．4．5矩形阵组合平面阵262

3．3．4．6线列阵组合圆弧（周）阵263

3．3．4．7柱面圆环阵263

3．3．4．8凸面弧形阵263

3．3．5基阵的束控方法264

3．3．5．1幅度束控：常用的有代入法、傅里叶变换法和函数逼近法264

3．3．5．2相位束控268

3．3．5．3恒定束宽阵269

3．3．5．4阵元间互辐射阻抗影响阵的指向性271

3．3．6．2乘积阵272

3．3．6．1超声诊断中所用的换能器阵272

3．3．6几种新型的换能器基阵272

§3．4换能器的阻抗匹配273

3．4．1具有匹配层的换能器的基本物理模式273

3．4．2换能器对匹配层的要求273

3．4．3换能器的电匹配276

§3．5换能器的背衬材料276

3．5．1背衬材料的类别276

3．5．2背衬块的声衰减系数和阻尼作用277

3．5．3背衬块对换能器带宽的影响278

§3．6换能器的传递函数279

3．6．1不考虑损耗时的传递函数279

3．6．1．1有背衬块无匹配层换能器的传递函数279

3．6．1．2有背衬块和一层匹配层换能器的传递函数279

3．6．2计及损耗情况下的传递函数280

3．6．1．3有背衬块和两层匹配层换能器的传递函数280

3．6．3传递函数与脉冲响应281

§3．7医用超声探头282

3．7．1诊断用超声探头的分类283

3．7．1．1脉冲-回波式探头283

3．7．1．2多普勒探头295

3．7．2医用超声治疗探头298

§3．8聚焦探头 寿文德301

3．8．1概述301

3．8．2曲面换能器有源自聚焦型探头301

3．8．3声透镜聚焦探头302

3．8．3．1球面声透镜聚焦探头302

3．8．3．2阶梯形带状声透镜聚焦303

3．8．3．3 Axicon声透镜探头——夹窄波束探头303

3．8．4．2直角锥面与抛物面的组合聚焦304

3．8．4．3双锥形聚焦304

3．8．4．1抛物面反射镜304

3．8．4反射镜聚焦探头304

3．8．5超声分区聚焦探头——波带片换能器305

3．8．6无衍射探头306

3．8．7电子聚焦超声波换能器阵列探头306

3．8．7．1环形相控阵电子聚焦探头306

3．8．7．2线阵探头的相控聚焦307

3．8．7．3相控阵探头的电子聚焦307

3．8．7．4凸阵探头的电子聚焦307

§3．9叉指换能器307

3．9．1叉指换能器的工作原理307

3．9．2叉指换能器的基本特性308

3．9．2．1频率特性308

3．9．2．2输入导纳或输入阻抗309

§3．10静电换能器310

参考文献311

第四章 超声检测313

§4．1超声探伤 蔡清福、姚锦钟313

4．1．1超声探伤仪313

4．1．1．1模拟式超声探伤仪313

4．1．1．2数字式超声探伤仪315

4．1．1．3 B型显示超声探伤仪319

4．1．1．4 C型显示超声探伤仪320

4．1．1．5混凝土探伤仪321

4．1．1．6自动超声探伤设备322

4．1．1．7其他超声探伤仪324

4．1．2超声探头325

4．1．2．1直探头325

4．1．2．2斜探头326

4．1．2．3可变角探头327

4．1．2．4双晶片探头327

4．1．2．6聚焦探头328

4．1．2．5水浸探头328

4．1．2．7阵列探头329

4．1．2．8其他探头330

4．1．3标准试块及对比试块331

4．1．3．1标准试块及对比试块的目的331

4．1．3．2垂直探伤用试块331

4．1．3．3斜射探伤用试块333

4．1．4超声探伤法337

4．1．4．1超声探伤法的基本要素337

4．1．4．2脉冲反射法与穿透法340

4．1．4．3直接接触法与液浸法341

4．1．4．4纵波探伤法342

4．1．4．5横波探伤法343

4．1．4．6表面波探伤法343

4．1．4．7板波探伤法344

4．1．4．8爬波探伤法345

4．1．4．9电磁超声波法 钱梦？346

4．1．4．10激光超声波法346

4．1．5超声成像法354

4．1．5．1施利伦（Schliere）法354

4．1．5．2光弹法354

4．1．5．3超声全息法355

4．1．5．4相控阵法356

4．1．5．5合成孔径聚焦成像357

4．1．5．6 ALOK法358

4．1．5．7超声CT359

4．1．5．8其他成像法360

4．1．6探伤结果的评价362

4．1．6．1时域分析法362

4．1．6．2频域分析法366

4．1．7．1金属材料368

4．1．7超声探伤的应用368

4．1．7．2金属焊缝375

4．1．7．3陶瓷材料377

4．1．7．4复合材料379

4．1．7．5混凝土380

4．1．7．6塑料383

§4．2超声测厚385

4．2．1共振法测厚385

4．2．2干涉法测厚385

4．2．2．1连续波干涉测厚386

4．2．2．2脉冲干涉测厚386

4．2．3脉冲法测厚387

4．2．3．1脉冲反射法测厚387

4．2．3．2脉冲测厚技术的改进387

4．2．4板波法测厚390

4．3．1．1声时差法（时差法）391

§4．3流速流量的测定391

4．3．1原理391

4．3．1．2相位差法（相差法）392

4．3．1．3频率差法（频差法）392

4．3．1．4速度差法（速差法）393

4．3．1．5超声束位移法393

4．3．1．6超声多普勒法394

4．3．1．7流体动力学修正395

4．3．2超声液体流量计396

4．3．3超声波气体流量计399

4．3．4多普勒超声流量计400

4．3．5超声互相关流量计400

§4．4超声液位计403

4．4．1超声波脉冲回波式液位测量基本原理403

4．4．2传声媒质的声速校正404

4．4．2．1直接修正法405

4．4．2．2校正具法405

4．4．2．3固定距离标记法406

4．4．3超声脉冲回波液位计形式和工作频率的选择406

4．4．4超声脉冲回波液位计408

4．4．5超声波定点式液面计408

4．4．6界面计和料位计409

4．4．6．1超声波界面计409

4．4．6．2超声波料位计410

§4．5浓度、密度、粘度、硬度的测定411

4．5．1超声浓度计411

4．5．1．1原理411

4．5．1．2超声气体浓度计412

4．5．1．3超声液体浓度计413

4．5．1．4超声悬浊液浓度计414

4．5．2超声波密度计415

4．5．3超声波粘度计416

4．5．3．1振动式粘度计417

4．5．3．2石英晶体振子的超声粘度计418

4．5．3．3声波粘度计419

4．5．4超声波硬度计419

§4．6超声显微镜420

4．6．1原理420

4．6．2分辨率423

4．6．2．1瑞利准则423

4．6．2．2斯帕洛准则423

4．6．2．3耦合液的分辨率系数423

4．6．3像的反差理论425

4．6．3．1 V（z）曲线的射线理论模型425

4．6．3．2 V（z）曲线的波动理论模型426

4．6．4扫描超声显微镜的实际操作与调整427

4．6．5．1反射系数的测量429

4．6．5微小区域的弹性测定429

4．6．5．2瑞利波速和瑞利波衰减的测量431

4．6．5．3表面及亚表面特性成像433

4．6．6层状结构和集成电路的检测435

4．6．7表面裂纹和粒界的检测436

4．6．7．1表面裂纹的检测436

4．6．7．2粒界的检测438

§4．7声发射440

4．7．1声发射法440

4．7．2声发射现象的物理基础441

4．7．2．1声发射产生的条件441

4．7．2．2声发射源的种类442

4．7．2．3固体中弹性波的激发与传播443

4．7．3．1声发射信号的表征参数447

4．7．3声发射检测仪器447

4．7．3．2声发射检测仪器的组成449

4．7．3．3声发射检测步骤451

4．7．4材料与声发射454

4．7．4．1金属材料455

4．7．4．2塑料基复合材料458

4．7．4．3陶瓷材料458

4．7．4．4其他材料459

4．7．5声发射源的定量分析法（声发射波形分析）459

§4．8环境学超声检测460

4．8．1超声风速计460

4．8．1．1超声风速计原理461

4．8．1．2相差法测定风速461

4．8．1．3回鸣法测定风速461

4．8．1．4脉冲时差法的超声风速气温计462

4．8．2．1气温和空气中的声速463

4．8．2．2脉冲波声时和法测量气温463

4．8．2气温测定463

4．8．2．3共振跟踪方式的超声气温计464

4．8．2．4内燃机燃烧室的温度测量465

4．8．3上层大气观测466

4．8．4空气中的距离测定467

4．8．4．1超声积雪计467

4．8．4．2超声车辆检测器467

4．8．5移动物体检测468

4．8．5．1超声计数器468

4．8．6．1电晕放电检测器469

4．8．7声学模型试验469

4．8．6．2微声探测器469

4．8．6声源探知469

4．8．5．2火灾和入侵报警器469

4．8．8空气中信息传送470

4．8．8．1超声波遥测计470

4．8．8．2空气中的超声波遥控器471

4．8．8．3超声定位471

4．8．8．9大气污染的检测471

参考文献473

第五章 声表面波、声体波与声光器件478

§5．1声表面波器件 李耀堂478

5．1．1概述478

5．1．2声表面波器件的特点479

5．1．3声表面波器件的设计计算479

5．1．3．1具有对称通带的声表面波带通滤波器的设计计算479

5．1．3．2具有非对称通带的声表面波带通滤波器的设计计算482

5．1．5声表面波器体的制造技术484

5．1．5．1声表面波器件制造的基本工艺流程及特点484

5．1．4声表面波器体制造用的基片材料484

5．1．5．2声表面波器件制造的主要工艺485

5．1．5．3离子束刻蚀技术492

5．1．5．4等离子体频率修正刻蚀496

5．1．6声表面波器件电性能参数测试497

5．1．6．1声表面波滤波器主要电性能参数测试497

5．1．6．2声表面波延迟线主要电性能参数测试500

5．1．6．3声表面波色散延迟线主要电性能参数测试503

5．1．6．4声表面波振荡器常用电性能参数测试505

§5．2声体波器件 汤劲松509

5．2．1概述509

5．2．2声体波微波延迟线509

5．2．2．1基本工作原理509

5．2．2．2微波声体波的激励510

5．2．2．3声体波延迟线的设计517

5．2．2．4声体波延迟线的制备工艺522

5．2．2．5声体波延迟线的应用524

5．2．3薄膜声体波谐振器和滤波器526

5．2．3．1薄膜声体波谐振器526

5．2．3．2集成滤波放大器528

5．2．4高次谐波声体波谐振器（HBAR）531

5．2．4．1 HBAR结构与性能531

5．2．4．2 HBAR的测量与应用532

§5．3声光器件535

5．3．1声学衍射的特性 何桂鸣535

5．3．1．1声学衍射效应535

5．3．1．2声学衍射的两种类型535

5．3．1．3两类声光衍射的定量标准536

5．3．1．4正常和反常布喇格衍射536

5．3．2．1基本声光器件的类型538

5．3．2声光器件的结构特性538

5．3．2．3声光媒质的特性539

5．3．3声光器件的特性539

5．3．3．1声光调制器的主要特性539

5．3．2．2发散率539

5．3．3．2光声偏转器的主要特性540

5．3．3．3声光可调谐滤光器的主要特性542

5．3．4声光器件的发展动向543

5．3．4．1体波声光器件543

5．3．4．2表面波声光器件544

5．3．4．3光纤声光器件545

参考文献546

第六章 功率超声550

§6．1概述 林仲茂550

§6．2功率超声的产生550

6．2．1．2磁致伸缩换能器的结构551

6．2．1磁致伸缩换能器551

6．2．1．1磁致伸缩效应和磁致伸缩材料551

6．2．2压电换能器554

6．2．2．1压电陶瓷元件振动模式555

6．2．2．2纵向振动复合换能器561

6．2．3换能器的效率566

6．2．4电动式和电磁式换能器568

6．2．4．1电动式换能器568

6．2．4．2电磁式换能器570

6．2．5弯曲振动的产生571

6．2．5．1弯曲振动换能器571

6．2．5．2模式转换弯曲振动换能器576

6．2．6扭转振动的产生578

6．2．6．1扭转振动换能器578

6．2．6．2模式转换扭转振动系统580

6．2．7复合振动的产生581

6．2．7．1纵变复合振动换能器581

6．2．7．2纵扭复合振动换能器583

6．2．8超声频电源584

6．2．8．1晶体管超声电源585

6．2．8．2匹配电路和频率自动跟踪588

6．2．9流体动力型声和超声发生器591

6．2．9．1共振腔哨591

6．2．9．2旋笛592

6．2．9．3液哨-簧片哨592

6．2．9．4旋涡哨593

6．2．9．5圆板哨593

§6．3变幅杆、变幅器和聚焦系统594

6．3．1．1单一变幅杆595

6．3．1纵向振动变幅杆595

6．3．1．2复合变幅杆608

6．3．1．3有负载的变幅杆622

6．3．2扭转振动变幅杆627

6．3．3弯曲振动变幅杆633

6．3．3．1等截面杆弯曲振动的频率方程633

6．3．3．2等截面杆与指数杆组成的复合弯曲振动变幅杆634

6．3．4变幅器和振动方向变换器636

6．3．4．1变幅器636

6．3．4．2振动方向变换器637

6．3．5聚焦系统641

6．3．5．1声透镜641

6．3．5．2反射型聚焦系统643

§6．4功率超声设备电声参数的测量644

6．4．1功率超声换能器的测量644

6．4．1．1小信号测量方法644

6．4．1．2大功率工作状态下的测量649

6．4．2振动位移及其分布的测量651

6．4．2．1用光学显微镜直接测量651

6．4．2．2电容拾振器651

6．4．2．3磁拾振器652

6．4．2．4激光干涉方法652

6．4．2．5振动分布的测量652

6．4．2．6无源弹性体固有频率的测量652

6．4．3声功率、声强和空化强度的测量653

6．4．3．1通过固体波导声功率的测量653

6．4．3．2液体媒质中声强、声功率及空化强度的测量655

§6．5功率超声的应用658

6．5．1超声清洗658

6．5．1．1原理和特点658

6．5．1．3超声清洗设备659

6．5．1．2影响超声清洗效率的因素659

6．5．1．4超声清洗应用例举662

6．5．2超声焊接663

6．5．2．1超声金属焊接663

6．5．2．2超声塑料焊接668

6．5．3超声加工674

6．5．3．1超声加工的应用范围674

6．5．3．2磨料冲击超声加工674

6．5．3．3超声车削678

6．5．3．4超声钻孔和镗孔681

6．5．3．5超声磨削681

6．5．3．6超声光整加工681

6．5．3．7超声金属塑性加工684

6．5．3．8超声聚合物加工687

6．5．4超声处理687

6．5．4．1超声乳化687

6．5．4．2超声搪锡688

6．5．4．4超声雾化689

6．5．4．3超声粉碎689

6．5．4．5超声凝聚693

6．5．4．6超声除气693

6．5．4．7超声加速过滤693

6．5．4．8超声加速陈化过程694

6．5．4．9超声淬火694

6．5．4．10超声细化晶粒694

6．5．4．11超声疲劳试验695

6．5．5功率超声在生物学及医学中的应用 冯若696

6．5．5．1功率超声在生物学中的应用696

6．5．5．2功率超声在医学中的应用699

6．5．6声悬浮技术 林仲茂699

6．5．6．1原理和装置699

6．5．7超声马达（电机）700

6．5．6．2特点700

6．5．6．3应用700

6．5．7．1基本原理701

6．5．7．2复合换能器型超声马达702

6．5．7．3模式转换型超声马达703

6．5．7．4利用弯曲振动的超声马达704

6．5．7．5其他类型的超声马达705

6．5．8声化学 冯若706

6．5．8．1声化学是一门新兴的交叉学科706

6．5．8．2声空化-声化学反应的主动力707

6．5．8．3检测声空化致化学产额的几种方法707

6．5．8．4声致发光709

6．5．8．5影响声空化的物理因素712

6．5．8．6声化学反应器717

6．5．8．7声化学反应类型与机制719

参考文献720

前言 何正权725

§7．1超声诊断技术725

第七章 医学超声725

7．1．1脉冲回波法超声诊断仪726

7．1．1．1脉冲回波法超声诊断仪的工作原理726

7．1．1．2 A型显示方式727

7．1．1．3 B型显示方式727

7．1．1．4 M型显示方式728

7．1．1．5脉冲回波法超声诊断仪的主要特性728

7．1．2多普勒超声诊断仪732

7．1．2．1医学超声多普勒技术及其信号732

7．1．2．2 CW多普勒系统733

7．1．2．3 PW多普勒系统734

7．1．2．4彩色血流成像系统738

7．1．3．2动态三维超声成像741

7．1．3多维超声成像技术741

7．1．3．1静态三维超声成像741

7．1．3．3彩色三维TCD742

7．1．3．4三维图像的显示方法743

7．1．4谐波成像技术745

§7．2 B超仪的基本技术748

7．2．1 B超仪的各种扫查方式748

7．2．1．1机械扇形扫查748

7．2．1．2相控阵扇形扫查751

7．2．1．3线阵式线性扫查752

7．2．1．4凸阵式扇形扫查756

7．2．1．5环形阵扇形扫查756

7．2．1．6 C型扫查和F型扫查757

7．2．1．7 PPI扫查758

7．2．2．1超声发射电路的基本结构759

7．2．2超声发射电路759

7．2．2．2单元式和阵列式换能器所用发射电路762

7．2．3超声接收电路763

7．2．3．1超声接收电路中的隔离级763

7．2．3．2超声信号的接收预放电路765

7．2．4阵元开关和阵元整序网络766

7．2．4．1凸阵和线阵换能器的阵元开关766

7．2．4．2阵元的整序768

7．2．4．3一体化开关网络772

7．2．5声束的时空控制773

7．2．5．1线阵式线性扫查时的电子聚焦原理及延迟时间计算773

7．2．5．2凸阵换能器扇形扫查时的电子聚焦775

7．2．5．3环形阵的电子聚焦776

7．2．5．4相控阵的电子聚焦777

7．2．5．5变孔径和变迹778

7．2．6．1时间增益控制（TGC）780

7．2．6接收通道780

7．2．6．2回波信号的放大和对数压缩784

7．2．6．3动态滤波技术788

7．2．6．4回波信号的包络检波790

7．2．6．5回波包络的边缘增强792

7．2．7声束形成方法793

7．2．7．1两种声束形成方法793

7．2．7．2数字声束形成技术793

7．2．7．3复包络信号的正交分解技术794

7．2．7．4数字式延迟技术795

7．2．7．5多声束形成技术796

§7．3数字扫描变换797

7．3．1超声扫查与显示扫描797

7．3．2数字扫描变换技术797

7．3．3线阵式线性扫查B超仪的一种简单DSC电路798

7．3．4．1 DSCA的引出和分类800

7．3．4扇形扫查B超仪的DSC算法800

7．3．4．2第一类DSCA801

7．3．4．3第二类DSCA803

7．3．4．4多速率采样和多速率显示时钟发生器806

§7．4数字信号与数字图像处理技术808

7．4．1采样定理808

7．4．2数字信号的时域处理810

7．4．2．1叠加平均810

7．4．2．2相关分析810

7．4．2．3插值811

7．4．3数字滤波812

7．4．3．1数字滤波器分类812

7．4．3．2 IIR滤波器813

7．4．4．1 γ校正与视觉校正814

7．4．4．2灰阶变换814

7．4．3．3 FIR滤波器814

7．4．4图像的灰阶变换814

7．4．4．3灰阶统计及直方图均衡815

7．4．5图像的平滑与增强816

7．4．6图像的帧相关818

§7．5多普勒信号处理819

7．5．1多普勒信号的解调819

7．5．2方向信息的提取820

7．7．2．4先进先出存贮器820

7．5．3平均多普勒频率的估计822

7．5．4多普勒血流信号的速度谱823

7．5．5伪随机超声多普勒技术824

7．5．6线性调频多普勒技术825

7．5．7自相关技术在彩色血流成像中的应用827

7．5．8．1经典谱估计方法828

7．5．8现代谱估计方法828

7．5．8．2现代谱估计方法829

7．5．8．3时域法血流速度估计831

§7．6彩色比显示技术834

7．6．1 CRT显示器834

7．6．1．1彩色显示原理834

7．6．1．2彩色CRT显示器836

7．6．2 B超图像的彩阶显示837

7．6．3彩色血流成像技术（CFM技术）839

7．6．4多普勒组织成像839

7．6．5多普勒能量成像840

7．6．6其他的彩色显示技术841

7．6．6．1三维多普勒能量成像841

7．7．1 D/A与A/D转换器842

7．7．1．1 D/A转换器842

7．6．6．3彩色余辉842

§7．7微机及某些集成电路842

7．6．6．2三维彩色透视842

7．7．1．2 A/D转换器844

7．7．2半导体存贮器846

7．7．2．1概述846

7．7．2．2双端口SRAM847

7．7．2．3视频RAM847

7．7．3可编程逻辑器件851

7．7．3．1概述851

7．7．3．2复杂可编程器件CPLD852

7．7．3．3现场可编程门阵列FPGA855

§7．8超声治疗 冯若858

7．8．1超声理疗法858

7．7．4微处理器与微机858

7．8．2超声一电疗法859

7．8．3超声药物透入疗法860

7．8．4超声雾化吸入疗法860

7．8．5超声外科860

7．8．6超声美容及去脂术862

7．8．6．1超声美容术862

7．8．6．2超声去脂术（或超声减肥术）862

7．8．7超声治癌862

7．8．7．1温热疗法862

7．8．7．2高能冲击波（HESW）疗法863

7．8．7．3高强聚焦超声（HIFUS）疗法863

7．8．7．4超声激活血卟啉疗法864

7．8．8超声碎石864

7．8．9超声节育与超声抗早孕866

7．9．1．1机械（力学）机制867

§7．9超声生物效应及医学超声剂量学867

7．9．1产生超声生物效应的物理机制867

7．9．1．2热机制868

7．9．1．3空化机制868

7．9．2诊断超声声强的表述868

7．9．3超声生物效应的基本实验数据870

7．9．4超声诊断的安全阈值剂量871

7．9．4．1流行病学研究871

7．9．4．2临床研究871

7．9．5有关超声诊断安全阈值剂量的规范和建议873

7．9．5．1美国医用超声学会（AIUM）的建议873

7．9．5．2美国医用超声学会（AIUM）的声明873

7．9．5．3美国食品药物管理局的新建议873

7．9．5．4日本卫生福利部的报告声明873

7．9．5．7超声诊断设备声输出的热指数与机械指数标准874

7．9．5．6《医用诊断超声设备声输出公布要求》的IEC标准874

7．9．5．5世界卫生组织（WHO）的建议（1982年）874

参考文献875

第八章 水声技术879

§8．1绪论（声呐特性） 王玉泉879

8．1．1概述879

8．1．2水声设备的发展简史880

8．1．3水声设备分类882

8．1．4水声设备的战术技术指标886

8．1．4．1水声设备（声呐）的主要战术指标886

8．1．4．2水声设备（声呐）的技术指标888

§8．2水声模拟技术 郭延芬889

8．2．1概述889

8．2．2基本声学模型890

8．2．2．1传播890

8．2．2．2噪声896

8．2．2．3混响897

8．2．3声呐性能模拟900

§8．3水声设备的测向、测距与测速 王玉泉901

8．3．1概述901

8．3．2测向的基本原理902

8．3．3测向的几种方法903

8．3．4测距原理914

8．3．5测距方式914

8．3．6目标速度的测量917

§8．4波束形成与控制 郭延芬918

8．4．1概述918

8．4．2时域、频域波束形成器919

8．4．2．1横向滤波器波束形成器920

8．4．2．2加法延迟线波束形成器921

8．4．2．3数字内插波束形成器922

8．4．2．4频域波束形成器923

8．4．3自适应波束形成器924

8．4．3．1自适应波束形成器基本原理924

8．4．3．2时间压缩式自适应波束形成器926

8．4．3．3无约束LMS准则自适应波束形成器927

8．4．3．4线性约束LMS自适应波束形成器928

8．4．3．5噪声抵消法自适应波束形成器929

8．4．4波束控制技术930

§8．5水声设备发射系统 王玉泉931

8．5．1概述931

8．5．2发射波形的产生934

8．5．3典型的发射机分析框图936

8．5．4多波束发射技术936

§8．6水声接收技术937

8．6．1概述937

8．6．2水声（声呐）接收机的形式和组成938

8．6．3动态范围的压缩和归一化941

8．6．4主动声呐最佳接收机946

§8．7水声设备的终端显示947

8．7．1概述947

8．7．2水声终端显示器的特点与发展概况948

8．7．3水声终端显示器的主要类型及典型画面949

8．7．4计算机在终端显示器上的应用950

§8．8水声新技术发展 郭延芬956

8．8．1概述956

8．8．2时延估计956

8．8．2．1时延估计方法956

8．8．2．2广义相关法时延估计958

8．8．2．3广义相位谱延时估计959

8．8．3神经网络的基本原理及在水声中的应用960

8．8．3．1人工神经元模型960

8．8．3．2人工神经网络的结构961

8．8．3．3人工神经网络的学习规则962

8．8．3．4神经网络在水声中的应用963

8．8．4模糊信息处理964

8．8．4．1模糊集的运算及其性质965

8．8．4．2模糊检测用于声呐系统966

8．8．5目标运动分析969

8．8．5．1 BOT数学模型969

8．8．5．2 TMA的结构和算法970

8．8．5．3 TMA的应用971

参考文献973

9．1．1声压975

9．1．1．1时域特性975

§9．1超声量的测量 寿文德975

第九章 超声测量与标准化975

9．1．1．2频域特性977

9．1．1．3声压的测量977

9．1．2声强984

9．1．2．1声压换算法984

9．1．2．2热敏探头法985

9．1．2．3辐射力法985

9．1．3声功率987

9．1．3．1液体中超声功率测量方法一辐射力法987

9．1．3．2光学法-Raman-Nath衍射声光法990

9．1．3．3热学法991

9．1．3．4声场扫查积分法992

9．1．3．5电测法996

9．1．3．6瓦特计法996

9．1．3．7自易法997

9．1．4．1共振干涉法（驻波干涉法）1000

9．1．4声速测量1000

9．1．4．2临界角法1001

9．1．4．3相位法1002

9．1．4．4脉冲法1002

9．1．5超声吸收测量1005

9．1．5．1瞬态热电偶法测量声吸收1005

9．1．5．2共振法测量声吸收1006

9．1．5．3混响法则量声吸收1007

9．1．5．4共振干涉法测量声吸收1008

9．1．6声衰减的测量1008

9．1．6．1脉冲法1008

9．1．6．2共振法测声衰减1009

9．1．6．3辐射力法测声衰减1010

9．1．6．4背向散射谱技术测量超声衰减1011

9．1．7．2有限振幅相对测量法1012

9．1．7．1有限振幅绝对测量法1012

9．1．7非线性参量B/A的测量1012

9．1．7．3改善的热力学方法1013

§9．2超声换能器特性测量1014

9．2．1发送响应与发射特性1014

9．2．1．1发送电流响应1014

9．2．1．2声发射响应1014

9．2．1．3位移-电压灵敏度1014

9．2．1．4位移平方-功率灵敏度1014

9．2．1．5辐射电导1014

9．2．2接收灵敏度及其频响1015

9．2．2．1定义1015

9．2．2．2校准方法1015

9．2．2．3声场扫查法1020

9．2．2．4利用非线性传播的校准技术1021

9．2．4声场特性1022

9．2．4．1声场参数的测量1022

9．2．3相对脉冲-回波灵敏度1022

9．2．4．2辐射图案测量1025

9．2．4．3指向性图案1027

9．2．4．4非线性传播参数σm1028

9．2．5阻抗（导纳）特性1028

9．2．6效率1029

9．2．6．1直接测量法1029

9．2．6．2导纳圆图法1029

9．2．6．3功率计法1029

9．2．7机械品质因数（Q）1029

9．2．10空化测量1030

§9．3超声设备的测量检定1030

9．3．1探伤仪1030

9．2．9冲击波测量1030

9．2．8发射表面振幅测量1030

9．3．1．1灵敏度1031

9．3．1．2垂线线性（放大线性）1031

9．3．1．3水平线性（时间轴线性）1032

9．3．1．4盲区1033

9．3．1．5斜探头入射点的测试方法1033

9．3．1．6斜探头折射角或K值的测试方法1033

9．3．1．7分辨力1034

9．3．1．8回波频率1035

9．3．2诊断与治疗设备1036

9．3．2．1超声诊断仪1036

9．3．2．2超声治疗仪1043

9．3．2．3碎石机1046

9．3．2．4超声洁牙机1047

9．4．1水听器1049

§9．4超声计量器具1049

9．3．4测厚仪1049

9．3．3清洗机1049

9．4．2热敏探头1052

9．4．3探伤试块1052

9．4．3．1 DB-P型试块1052

9．4．3．2 CSK-IA型试块1052

9．4．3．3 DZ-I型试块1053

9．4．4超声诊断试块1054

9．4．4．1软组织模拟试块1054

9．4．4．2轴间分辨力试块1054

9．4．4．3侧向分辨力试块1054

9．4．4．4对比度试块1054

9．4．4．5无散射球试块1054

9．4．4．6流速多普勒试块系统1054

9．5．2国家标准、专业标准和行业标准1055

9．5．1 IEC标准1055

§9．5超声标准化文件索引1055

参考文献1057

附录1060

附录一 希腊字母表（正体与斜体） 关立勋1060

附录二 常用数学符号1060

附录三 单位十进倍数的词头1061

附录四 傅里叶变换（傅氏变换）1062

附录五 拉普拉斯变换（拉氏变换）1068

附录六 常用物理量与声学量的名称、单位、符号1072

附录七 声压比与声强比的分贝值1074

附录八 一些生物组织及相关媒质的超声传播系数1076

附录九 声学匹配层的材料及其性能1077

附录十 国内外超声及相关学术团体1078

附录十一IEC.TC87（超声）各工作组1079

附录十二 国外超声技术标准出版物1080

附录十三 国外超声技术主要相关刊物1083