超 音 波 原 理 介 紹
一、何謂超音波：
1、普通人耳可聽到的聲音，頻率由16Hz 到 20KHz，超音波以頻率高到人
耳聽不到的音波來定義。
2、超音波可以在空氣中，液體或固體中振動傳送。
3、超音波為依彈性(應變)發生的波動，一般不以人耳來聽為目的之音波。
4、一般區分為破壞性超音波與非破壞性超音波。
二、超音波的特徵：
超音波本質上與普通之音波並無什麼不同，除了頻率高處理的媒介除
了氣體外尚有液體或固體，音波的強度由於較大，空氣中音波強度 (0dB 0-16
W/cm2 、120dB 10-4W/cm2，而超音波1W/cm2以上者極為普遍)，因此會出現
普通可聽音域無法得到的特異現像。
波的種類
1、頻率與波長
音波在媒質中傳播的速度(音速)為 c、波長λ、頻率f、有以下的關係
c＝fλ(f=c/λ)
音速 c 依媒質的種類而不同，亦即頻率雖相同但因不同的媒質所反應
的波長亦不同。
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材料 |
密度ρ g/cm3 |
音速度 c ×105cm/s |
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軟鋼 |
7.8 |
5.2 |
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鎳鉻鋼 |
7.8 |
5.1 |
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18-8不銹鋼 |
8.0 |
5.0 |
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黃銅 |
8.5 |
3.4 |
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銅 |
8.9 |
3.7 |
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B 蒙納合金 |
8.84 |
4.6 |
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鈦 |
4.54 |
4.85 |
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鋁 |
2.7 |
5.2 |
材料之密度與音速度
2、指向性
由音源發射音波時音波非全方向發射，而是有一定方向的放射性質，
即具有指向性，指向性關係音源的形狀，尺寸與音波的波長，與波長比較
放射面小時變鈍，若變大就變銳。超音波頻率高，波長小，指向性銳，能
得到高方向分解能力。
3、反射與透過
超音波由媒質1(密度ρ 1,音速 c1)向媒質2(密度ρ2,音速c2)垂直入射時
，音壓的反射率R與透過率T如下所示：
R= (ρ2c2-ρ1c1)/ (ρ1c1+ρ2c2)
T=2 ρ2c2/(ρ1c1+ρ2c2)
如此，反射率與透過率為依兩媒質的密度 ρ與音速 c 之乘積來決定，
此乘積 ρc稱為自然音響阻抗。
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材料 |
密度 ρ g/cm3 |
音速度c 105cm/s |
音響阻抗ρc 105g/cm*s |
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鎳 Alufer Permen dure Ferrite 鐵 鋼 鋁 |
8.9 6.65 8.08 5.0 7.86 7.80 2.70 |
4.78 5.10 5.15 5.5 5.17 5.05 5.24 |
42.5 33.9 41.6 27.5 40.4 39.3 14.1 |
各種材料中的音速波與諸常數
4、音的強度
空氣中音波的強度，以10-16W/cm2為基準，由0dB到120dB的聲音用耳
朵聽。相對超音波1W/cm2以上者極為普遍，故會產生各種的特異現象。
音壓 P，振動速度V，音的強度I，有以下關係式：
P/V= ρc
I=PV=P2/ρc=ρcV2
ρc之值，空氣為44.2，水為0.149*106，鐵為4.04*106，音的強度等於振動速
度，鐵為水中的約30倍，空氣中的約105倍。
又就液中的某一點來觀察，此點的壓力如圖曲線A，以靜壓 P0 (普通指
一大 氣壓力)為中心，發生壓力 (音壓) 的增減。超音波的強度依次增大，若
靜壓以上的壓力振幅，如圖曲線Ｂ 所示，減壓側產生負壓。所謂負壓的現
象由於不實在，引裂液體之力作用，形成真空的空洞。此種空洞為真空或
接近真空的低壓，其次的壓縮相位再破裂，此時液體同時激烈相撞，發生
非常大的衝擊性壓力。此種稱為空穴現象，此超音波特異現象為超音波洗
淨所應用。
三、超音波的產生
1、壓電材料的性質
壓電現象，它是一種電場與位移場線性的藕合特性。可分為直接效應
與間接效應兩種。
直接效應：加一偏極電場會有應變產生。
間接效應：加上應力會有電荷產生。
直接壓電效應，發射模式：外加電場產生位移
間接壓電效應，接收模式：外加應力，衍生電荷
一般常用的有剪應變及厚度方向之振動模式
將壓電片貼於金屬薄片上，將厚度振動轉為彎曲振動
將數個壓電陶瓷片以並聯方式黏著而成，有振幅放大作用，
總應變量為各個壓電陶瓷片應變量之總合
2、縱振動子
壓電振動子(三明治型)，在大振幅，大負荷的工作條件有充份的強度，
而廣為應用於超音波工業，例如超音波加工振動子，超音波馬達，超音波
洗淨振動子… 等。
其基本的結構是以軟鋼或鋁等金屬塊將壓電陶瓷圓片夾製成三明治型。
元件之接合，採用黏著或螺栓鎖緊的方式處理。
在這種結構中，壓電元件所處的位置是在最大應力發生處，此高交變
應力很容易超過壓電元件本身的抗拉強度值或接著劑之接著力。螺絲之鎖
緊力，可視為 一預加應力，作用於壓電元件兩側，提高振動子的工作效率。
3、HORN(焊頭)
HORN具有與電路中之變壓器相同的任務，其細端面的振幅比粗端面
的振幅大的作用，來作振幅放大以利於超音波加工。
HORN材料之考量為疲勞限度應力值高，振動損失小、耐蝕性、耐摩
耗性、耐熱性高，等各性質，一般常使用的材料為鋼、不鏽鋼、鋁、鈦合
金等 金屬材料。
4、超音波振動部組設計要點
•應力分佈曲線
•振幅分佈曲線
•振幅放大率
•振動模態
•節點位置
•振動子和錐體及焊頭之接合處為零應力處
•振動部組端面應有最大振幅
•支持點應置於節點
•橫向振動儘量避免和縱向振動藕合
振動部組的振動模式
四、超音波的應用
(破壞性超音波應用)
1、超音波洗淨 ：利用超音波能量(空穴效應)分離油汙，可用於機密機械
、餐具、基板、醫療器具等…的清潔。
2、超音波熔接 ：超音波產生的能量使被熔接物接觸面產生相對振動位移
摩擦生熱而使塑膠、金屬等物質融合在一起。
3、超音波熱療：超音波聚焦對癌細胞加熱以治療癌症。
4、超音波洗牙機：利用超音波的振動去除牙結石。
5、超音波驅鼠器：利用反覆變化的超音波音頻，直接刺激老鼠與蟲類的
聽覺神經，使其痛苦、恐懼而逃離超音波發射區域。
(非破壞性超音波應用)
1、聲納：利用水中超音波脈衝反射訊號成像後，作為魚群、潛水艇的探
知。
2、超音波腹部掃描：原理同上，為醫學上普遍使用的成像診斷方式(如胎
兒超音波掃描、肝臟超音波掃描等…) 。
3、超音波探傷：原理同上，以非破壞性方式，檢測固體有否損傷。
4、超音波顯微鏡：檢測活細胞之密度構造。
5、超音波測距、超音波液位計、超音波防盜器等…量測的應用。
各式振動子與壓電片
超音波塑膠熔接機
流水式(水濂)超音波洗淨
流水式(水柱)超音波洗淨
超音波洗淨用振動子與壓電片
檢測用超音波探頭
超音波金屬熔接機
超音波金屬熔接
超音波2.5MHz呼吸器
超音波1MHz按摩器
100KHz超音波鋁線焊接機
100KHz鋁線超音波振動子
超音波鋁線銲線(chip on board)
冷陰極管壓電變壓器(PZT inverter)