超声学的发展历史

超声的研究和发展，与媒质中超声的产生和接收的研究密切相关。1883年首次制成超声气哨，此后又出现了各种形式的气哨、汽笛和液哨等机械型超声发生器(又称换能器)。由于这类换能器成本低，所以经过不断改进，至今还仍广泛地用于对流体媒质的超声处理技术中。

20世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器。1917年，法国物理学家朗之万用天然压电石英制成了夹心式超声换能器，并用来探查海底的潜艇。随着军事和国民经济各部门中超声应用的不断发展，又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型换能器等多种超声换能器。

材料科学的发展，使得应用最广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电耦合系数高、价格低廉、性能良好的压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄膜等。产生和检测超声波的频率，也由几十千赫提高到上千兆赫。产生和接收的波型也由单纯的纵波扩大为横波、扭转波、弯曲波、表面波等。如频率为几十兆赫到上千兆赫的微型表面波都已成功地用于雷达、电子通信和成像技术等方面。

近年来，为了物质结构等基础研究的需要，超声波的产生和接收还在向更高频率(10&sup1&sup2赫以上)发展。例如在媒质端面直接蒸发或溅射上压电薄膜或磁致伸缩的铁磁性薄膜，就可获得数百兆赫直至几万兆赫的超声；利用凹型的微波谐振腔，可在石英棒内获得几万兆赫的超声。此外，用热脉冲、半导体雪崩、超导结、光子与声子的相互作用等方法，产生或接收更高频率的超声。

光作为载体，通过声光移频器把移频信号加到载波上的过程。光频的改变量等于外加射频功率信号的频率。输出光取正一级衍射光时，输出光的频率为原激光频率加电信号频率，输出光取负一级衍射光时，输出光的频率为原激光频率减电信号频率。改变输入信号的频率，即可控制输出光的频移量，或者保持驱动频率不变，取不同衍射级次作为输出。声光移频器在实际应用中要求输出光的功率尽可能高，所以声光移频器一般工作在布拉格衍射模式，1 声光移频器的工作原理2 声光移频器的构成电声换能器(超声发生器)——它是利用某些压电晶体（石英、LiNb03等）或压电半导体（CdS. Zn0）的反压电效应，在外加电场作用下产生机械振动而形成超声波，将调制的电功率转换成声功率。吸声（或反射）装置—放置在超声源的对面，用以吸收已通过介质的声波，以免返回介质产生干扰（超声场工作在行波状态）；如果超声场工作在驻波状态，吸声装置需换成反射装置。驱动电源—用以产生调制信号，驱动声光调制器工作。声光移频器的主要性能参数有三个：一级衍射效率、移频带宽、移频精度或移频稳定度。为了提高声光移频器输出光的衍射效率和移频带宽，声光器件必须工作在布拉格衍射模式；提高压电换能器的带宽，采取超声跟踪以提高布拉格带宽和解决带宽阻抗匹配技术。声光移频器的移频量和移频精度主要由驱动电功率信号决定，声光器件本身对频率基本没有影响，所以为保证声光移频器频精度或移频稳定度，驱动源必须采用高稳定度的晶体振荡器或高稳定性的功率信号源。3 移频原理由声光布拉格衍射理论可知，光束以θi角入射时，产生衍射极值应满足布拉格条件θi=θd=θB，布拉格角一般很小，可写为故衍射光与入射光间的夹角（偏转角）等于布拉格角θB的2倍，即由式（2）可以看出：改变超声波频率fs时，就可改变偏转角θ，从而达到控制光束传播方向的目的。即超声频率改变Δfs引起光束偏转角的变化为这可用下图及声波矢关系予以说明。设声波频率为fs时，声光衍射满足布拉格条件，则声波矢图为闭合等腰三角形，衍射极值沿着与超声波面成θd角的方向。若声波频率变为fs+Δfs时，则根据κs=2π/νs*fs的关系，声波波矢将Δκs=2π/νs*Δfs的变化。由于入射光θi不变，衍射光波矢大小也不变，则声光波矢图不再闭合。光束沿着OB方向衍射，相应的光束偏转角为θ。因为θ和Δθ都很小，因而可近似认为，所以偏转角与声频的该变量成正比。

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