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超声波 编辑

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什么是超声波

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超声波是声波与频率高于人的上可听临界听力。超声波在物理特性上与“正常”(可听)声音没有区别,只是人类无法听到它。这个限制因人而异,在健康的年轻人中约为20千赫兹(20,000赫兹)。超声波设备的工作频率范围为20kHz至数千兆赫。

超声波用于许多不同的领域。超声波设备用于检测物体和测量距离。超声成像或超声检查常用于医学。在产品和结构的无损检测中,超声波用于检测不可见的缺陷。在工业上,超声波用于清洁、混合和加速化学过程。蝙蝠和鼠海豚等动物使用超声波来定位猎物和障碍物。

洞察力

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人类

人类的频率上限(大约20kHz)是由于中耳的限制。听觉如果高强度超声被直接馈送到可发生人类头骨并到达耳蜗通过骨传导,而不穿过中耳。

儿童可以听到一些老年人听不到的高音调,因为在人类中,听力的上限音调会随着年龄的增长而降低。一家美国手机公司已经使用它来创建据说只有年轻人才能听到的振铃信号,但许多老年人可以听到这些信号,这可能是因为与年龄相关的恶化的相当大的变化上听阈。蚊子是一种电子设备,它使用高音来阻止年轻人游荡。

动物

蝙蝠使用各种超声波测距(回声定位)技术来探测猎物。它们可以检测超过100kHz的频率,最高可达200kHz。

许多昆虫具有良好的超声波听力,其中大部分是夜间活动的昆虫,它们会聆听蝙蝠的回声定位。其中包括许多飞蛾、甲虫、螳螂和草蛉。在听到蝙蝠的声音后,一些昆虫会做出躲避动作以逃避被抓住。超声波频率触发夜蛾的反射动作,使其在飞行过程中略微下降以逃避攻击。虎蛾也会发出咔哒声,这可能会干扰蝙蝠的回声定位,在其他情况下,可能会通过发出声音来宣传它们有毒的事实。

狗和猫的听力范围延伸到超声波;狗的最高听力范围约为45kHz,而猫的听力范围为64kHz。猫和狗的野生祖先进化出这种更高的听力范围,以听到它们喜欢的猎物小型啮齿动物发出的高频声音。阿狗哨子是一种哨子,其发射超声波,用于训练和呼叫狗。大多数狗哨的频率在23到54kHz的范围内。

齿鲸,包括海豚,可以听到超声波并在它们的导航系统(生物声纳)中使用这种声音来定位和捕捉猎物。鼠海豚在160kHz附近具有最高的已知听力上限。几种类型的鱼可以检测到超声波。在鲱鱼目中,鲱鱼亚科(鲱鱼)的成员已被证明能够检测到高达180kHz的声音,而其他亚科(例如鲱鱼)只能听到高达4kHz的声音。

超声波发生器/扬声器系统作为电子害虫控制设备出售,据称可以吓跑啮齿动物和昆虫,但没有科学证据表明这些设备有效。

超声波探测和测距

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非接触式传感器

超声波液位或传感系统不需要与目标接触。对于医疗、制药、军事和一般行业中的许多过程而言,这比可能污染容器管道内的液体或可能被产品堵塞的在线传感器更具优势。

使用连续波和脉冲系统。脉冲超声波技术背后的原理是发射信号由超声波能量的短脉冲串组成。每次爆发后,电子设备会在与能量通过容器所需的时间相对应的小时间窗口内寻找返回信号。只有在此窗口期间接收到的信号才有资格进行额外的信号处理。

一种流行的超声波测距消费应用是宝丽来SX-70相机,它包括一个轻量级的传感器系统来自动对焦相机。宝丽来后来获得了这项超声波技术的许可,并成为各种超声波产品的基础。

运动传感器和流量测量

一个常见的超声波应用是自动开门器,其中超声波传感器检测到人的接近并打开门。超声波传感器也用于检测入侵者;超声波可以从一个点覆盖很广的区域。管道或明渠中的流量可以通过超声波流量计测量,超声波流量计测量流动液体的平均速度。在流变学中,声流变仪依赖于超声波原理。在流体力学中,可以使用超声波流量计测量流体流量。

非破坏性测试

超声波检测是一种无损检测,常用于发现材料中的缺陷和测量物体的厚度。2到10MHz的频率很常见,但出于特殊目的,使用其他频率。检查可以是手动的,也可以是自动的,是现代制造过程的重要组成部分。大多数金属以及塑料航空航天复合材料都可以进行检测。低频超声波(50–500kHz)也可用于检查密度较小的材料,例如木材、混凝土水泥

焊接接头的超声波检测已经替代射线照相术进行无损检测自20世纪60年代。超声波检测消除了电离辐射的使用,具有安全性和成本优势。超声波还可以提供附加信息,例如焊接接头中的缺陷深度。超声波检测已经从手动方法发展到可以自动化大部分过程的计算机化系统。接头的超声波测试可以识别缺陷的存在,测量其大小并确定其位置。并非所有焊接材料都同样适用于超声波检测;某些材料具有较大的晶粒尺寸,这会在测量中产生高水平的背景噪声。

超声波测厚是一种用于监测焊缝质量的技术。

超声波

超声波测距

超声波的一个常见用途是水下测距;这种用途也称为声纳。在特定方向上产生超声波脉冲。如果此脉冲的路径中有物体,则部分或全部脉冲将作为回波反射回发射器,并可通过接收器路径被检测到。通过测量发送的脉冲和接收到的回波之间的时间差,可以确定距离。

测得的声纳脉冲在水中的传播时间很大程度上取决于水的温度和盐度。超声波测距也适用于空气中和短距离的测量。例如,手持超声波测量工具可以快速测量房间的布局。

尽管水下测距在远距离(1到几公里)下以亚可听频率和可听频率进行,但当距离较短且需要更精细的距离测量精度时,则使用超声波测距。超声波测量可能会通过具有较大盐度、温度或涡旋差异的屏障层而受到限制。在水中测距从数百米到数千米不等,但可以达到厘米到米的精度

超声波识别(USID)

超声波识别(USID)是一种实时定位系统(RTLS)或室内定位系统(IPS)技术,用于使用附加或嵌入的简单、廉价的节点(徽章/标签)实时自动跟踪和识别物体的位置在物体和设备中,然后传输超声波信号以将它们的位置传达给麦克风传感器。


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  1. 什么是超声波
  2. 洞察力
  3. 人类
  4. 动物
  5. 超声波探测和测距
  6. 非接触式传感器
  7. 运动传感器和流量测量
  8. 非破坏性测试
  9. 超声波测距
  10. 超声波识别(USID)

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