超聲波技術(shù)及其應(yīng)用
資料整理：杜超
（城建學(xué)院 機(jī)械11-04）
摘要：介紹超聲波產(chǎn)生與傳播及其原理，重點(diǎn)介紹超聲波在各個(gè)*域的應(yīng)用。超聲波不僅對(duì)人類(lèi)有用還會(huì)產(chǎn)生各種各樣的危害,怎樣去除危害,更好的利用超聲波成為當(dāng)今一個(gè)重要的課題.
關(guān)鍵詞：超聲波；發(fā)展及其應(yīng)用；危害;
     
超聲的應(yīng)用是一門(mén)以物理、電子、機(jī)械及材料學(xué)為基礎(chǔ)的通用技術(shù)之一。超聲技術(shù)是通過(guò)超聲波產(chǎn)生、傳播及接收的物理過(guò)程而完成的。超聲波具有聚束、定向及反射、透射等特性。按超聲振動(dòng)幅射大小不同大致可分為：
1、用超聲波使物體或物性變化的功率應(yīng)用稱(chēng)功率超聲. 
2、用超聲波得到若干信息，獲得通信應(yīng)用，稱(chēng)檢測(cè)超聲.
一.什么是超聲波
超聲波是指頻率在所謂超聲波，是指人耳聽(tīng)不見(jiàn)的聲波。正常人的聽(tīng)覺(jué)可以聽(tīng)到20赫茲（Hz）-20千赫茲（kHz）的聲波，低于20赫茲的聲波稱(chēng)為次聲波或亞聲波，超過(guò)20千赫茲的聲波稱(chēng)為超聲波^[4]。超聲波是聲波大家族中的一員，和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點(diǎn)都是一種機(jī)械振動(dòng)，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)傳播，是一種能量和動(dòng)量的傳播形式，其不同點(diǎn)是超聲頻率高，波長(zhǎng)短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。
二,發(fā)展及應(yīng)用
早在1830年，F(xiàn)·Savart曾用齒輪，**次產(chǎn)生HZ的超聲，1876年F·Galton用氣哨產(chǎn)生Hz 的超聲。1912年4月10日，泰坦尼克號(hào)觸冰山沉沒(méi)，引起科學(xué)界注意，希望可以探測(cè)到水下的冰山。直到**次世界大戰(zhàn)中，德G大量使用潛艇，擊沉了協(xié)約G大量艦船，探測(cè)潛艇的任務(wù)又提到科學(xué)家的面前^[1]。當(dāng)時(shí)的科學(xué)家郎之萬(wàn)和他的朋友利用當(dāng)時(shí)已出現(xiàn)的功率很大的放大器和石英壓電晶體結(jié)合起來(lái)，能向水下發(fā)射幾十千赫茲的超聲波，成功的將超聲波應(yīng)用到實(shí)際中。
  現(xiàn)在，超聲波測(cè)試把超聲波作為一種信息載體，它已在海洋探測(cè)與開(kāi)發(fā)、無(wú)損檢測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷等*域發(fā)揮著不可取代的獨(dú)特作用。例如：在海洋應(yīng)用中，超聲波可以用來(lái)探測(cè)魚(yú)群和冰山，可以用于潛艇導(dǎo)航或傳送信息、地形地貌測(cè)繪和地質(zhì)勘探等。在檢測(cè)中，利用超聲波檢測(cè)固體材料內(nèi)部缺陷、材料尺寸測(cè)量、物理參數(shù)側(cè)量等。在醫(yī)學(xué)中，可以利用超聲波進(jìn)行人體內(nèi)部器官的組織結(jié)構(gòu)掃描和血流速度的測(cè)量等。
三,超聲波清洗及應(yīng)用：
(一)超聲波清洗原理
    超聲波清洗屬物理清洗，把清洗液放入槽內(nèi)，在槽內(nèi)作用超聲波。由于超聲波與聲波一樣是一種疏密的振動(dòng)波，在傳播過(guò)程中，介質(zhì)的壓力作交替變化。在負(fù)壓區(qū)域，液體中產(chǎn)生撕裂的力，并形成真空的氣泡。當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣泡迅速增長(zhǎng)，在正壓區(qū)域氣泡由于受到壓力擠破滅、閉合。此時(shí)，液體間相互碰撞產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波。雖然位移、速度都非常小，但加速度卻非常大，局部壓力可達(dá)幾千個(gè)大氣壓，這就是所謂的空化效應(yīng)。
(二) 影響清洗效果的幾個(gè)因素
1、與頻率的關(guān)系：一般頻率越低空化效果越明顯，但噪音相對(duì)較高，適用于物體面相對(duì)平正的物體。頻率越高，空化效果越差，但噪音相對(duì)較低，適用于微孔盲孔效多的物體及電子晶體等。
2、與溫度有關(guān)：一般30℃—50℃的介質(zhì)溫度清洗效果**好。
3、與聲強(qiáng)有關(guān)：根據(jù)頻率不同，聲強(qiáng)一般選在1—2w/cm2左右。
4、與清洗液有關(guān)：一般來(lái)說(shuō)，清洗液的粘度越低含氣量越高，清洗效果越好。
5、與清洗液的深度及被清洗物的位置有關(guān)。
(三)超聲波清洗在各種*域的應(yīng)用
    由于超聲波清洗本身具有其它物理清洗或化學(xué)清洗無(wú)可比擬的優(yōu)越性，因此廣泛應(yīng)用于服務(wù)業(yè)、電子業(yè)、醫(yī)藥業(yè)、實(shí)驗(yàn)室、機(jī)械業(yè)、硬質(zhì)合金業(yè)、化學(xué)工業(yè)等諸多*域，下面就個(gè)別行業(yè)作簡(jiǎn)單介紹。
1、在服務(wù)業(yè)中的應(yīng)用。
   日常生產(chǎn)中，眼鏡、shou飾都可以用超聲波進(jìn)行清洗，速度快，無(wú)損傷，大型的賓館、飯店用它清洗餐具，不僅清洗效果好，還具有殺滅病毒的作用。
2、超聲波在微粉業(yè)的應(yīng)用
  眾所周知，要得不同大小的顆粒，是把破碎料放在球磨機(jī)內(nèi)研磨后，經(jīng)過(guò)不同規(guī)格篩子層層篩分而得的。篩子長(zhǎng)時(shí)間使用后，篩孔會(huì)被堵塞（如金剛石篩），用其它方法刷洗會(huì)破壞篩子，且效果不理想，經(jīng)過(guò)眾多廠家的試驗(yàn)后，用超聲波清洗，不僅不損壞篩子，而且篩子上面的堵塞顆粒完全被回收。
3、超聲波在制藥工業(yè)的應(yīng)用
    超聲波清洗技術(shù)經(jīng)過(guò)眾多制藥企業(yè)的應(yīng)用而得到廣泛使用，特別是對(duì)西林瓶、口服液瓶、安瓶、大輸液瓶的清洗以及對(duì)丁基膠塞、天然膠塞的清洗方面，已經(jīng)得到shou肯。對(duì)于瓶類(lèi)的清洗，是用超聲波清洗技術(shù)代替原有的毛刷機(jī)，它經(jīng)過(guò)翻轉(zhuǎn)注水、超聲清洗、內(nèi)外沖洗、空氣吹干、翻轉(zhuǎn)等流程而實(shí)現(xiàn)的。
4、超聲對(duì)濾芯的清洗
    我們知道，無(wú)論何種材質(zhì)的過(guò)濾器或無(wú)論何種用途的過(guò)濾器，使用一段時(shí)間后，都會(huì)由于雜質(zhì)而造成通透性降低而報(bào)廢，普通濾芯價(jià)格較低還可以，但對(duì)于化纖行業(yè)，一只進(jìn)口濾芯，價(jià)格近萬(wàn)元，棄之實(shí)在可惜，我們同其它科研單位合作研制的超聲波濾芯清洗機(jī)，采用聚能型超聲波清洗機(jī)，它可把1KW以上的能量集中在200×20mm2 的輻射面上，超聲強(qiáng)度大，能夠快速將堵塞物去除，同時(shí)設(shè)備采用反過(guò)濾裝置，只要您提供波芯，我們就可為您提供整套清洗裝置。（該設(shè)備洗一根濾芯的時(shí)間為10—15分鐘）。適用于PP綿濾芯、活性炭濾芯、中空纖維濾芯陶瓷膜濾芯。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
5、超聲波對(duì)金屬的清洗
    眾所周知，金屬棒材經(jīng)擠壓成絲后，金屬絲的外部往往有一層碳化膜和油，用酸清洗或其它清洗方法，很難讓污物去除（尤其整盤(pán)絲），超聲波洗絲機(jī)是根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要而設(shè)計(jì)的一種連續(xù)走絲，高效清洗設(shè)備，粗洗部分由清洗液儲(chǔ)槽、換能器、循環(huán)泵、過(guò)濾器及配套管道系統(tǒng)組成，金屬絲經(jīng)超聲波粗洗精洗后，再經(jīng)過(guò)吹干，從而完成整個(gè)清洗過(guò)程。整套設(shè)備集成控制，簡(jiǎn)潔、方便、效果好，廣泛用于鉭絲、鎢絲、鉬絲、鈮絲、銅絲（jue緣漆涂覆前）等其它金屬絲。
6、超聲波清洗技術(shù)在磷化處理中的應(yīng)用
    產(chǎn)品噴涂前處理工藝非常重要，一般的傳統(tǒng)工藝使用酸液對(duì)工件進(jìn)行處理，對(duì)環(huán)境污染較重，工作環(huán)境較差，同時(shí)，**大的弊端是結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件酸洗除銹后的殘酸很難沖洗干凈。工件噴涂后，時(shí)間不長(zhǎng)，沿著夾縫出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，破壞涂層表面，嚴(yán)重影響產(chǎn)品外觀和內(nèi)在質(zhì)量。超聲波清洗技術(shù)應(yīng)用到涂裝前處理后，不僅能使物體表面和縫隙中的污垢迅速剝落，而且涂裝件噴涂層牢固不會(huì)返銹。
     超聲波清洗在各行各業(yè)都可用到，以上的幾種僅是具有代表性的行業(yè)應(yīng)用，還有許多新的行業(yè)和*域都可以使用超聲波清洗，期待著廣大使用單位和生產(chǎn)廠家共同開(kāi)發(fā)探索。
四,超聲波測(cè)厚及應(yīng)用
    在工業(yè)*域中超聲波測(cè)厚是一門(mén)成熟的高新技術(shù)，它的**大優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)安全、可靠及精度高，而且它可以巡回在運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。超聲測(cè)厚儀按工作原理分：有共振法、干涉法及脈沖反射法等幾種，由于脈沖反射法并不涉及共振機(jī)理，與被測(cè)物表面的光潔度關(guān)系不密切，所以超聲波脈沖法測(cè)厚儀是**受用戶(hù)歡迎的一種儀表。
(一) 工作原理
    超聲波測(cè)厚儀主要有主機(jī)和探頭兩部分組成。主機(jī)電路包括發(fā)射電路、接收電路、計(jì)數(shù)顯示電路三部分，由發(fā)射電路產(chǎn)生的高壓沖擊波激勵(lì)探頭，產(chǎn)生超聲發(fā)射脈沖波，脈沖波經(jīng)介質(zhì)介面反射后被接收電路接收，通過(guò)單片機(jī)計(jì)數(shù)處理后，經(jīng)液晶顯示器顯示厚度數(shù)值，它主要根據(jù)聲波在試樣中的傳播速度乘以通過(guò)試樣的時(shí)間的一半而得到試樣的厚度。  
(二) 測(cè)厚儀應(yīng)用*域
     由于超聲波處理方便，并有良好的指向性，超聲技術(shù)測(cè)量金屬，非金屬材料的厚度，既快又準(zhǔn)確，無(wú)污染，尤其是在只許可一個(gè)側(cè)面可按觸的場(chǎng)合，更能顯示其優(yōu)越性，廣泛用于各種板材、管材壁厚、鍋爐容器壁厚及其局部腐蝕、銹蝕的情況，因此對(duì)冶金、造船、機(jī)械、化工、電力、原子能等各工業(yè)部門(mén)的產(chǎn)品檢驗(yàn)，對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行及現(xiàn)代化管理起著主要的作用。
     超聲清洗與超聲測(cè)厚儀僅是超聲技術(shù)應(yīng)用的一部分，還有很多*域都可以應(yīng)用到超聲技術(shù)。比如超聲波霧化、超聲波焊接、超聲波鉆孔、超聲波研磨、超聲波拋光、超聲馬達(dá)等等。超聲波技術(shù)將在各行各業(yè)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
五、超聲波在塑料焊接方面的應(yīng)用
　　當(dāng)超聲波作用于熱塑性的塑料接觸面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生每秒幾萬(wàn)次的高頻振動(dòng)，這種達(dá)到一定振幅的高頻振動(dòng)，通過(guò)上焊件把超聲能量傳送到焊區(qū)，由于焊區(qū)即兩個(gè)焊接的交界面處聲阻大，因此會(huì)產(chǎn)生局部高溫。又由于塑料導(dǎo)熱性差，一時(shí)還不能及時(shí)散發(fā)，聚集在焊區(qū)，致使兩個(gè)塑料的接觸面迅速熔化，加上一定壓力后，使其融合成一體。當(dāng)超聲波停止作用后，讓壓力持續(xù)幾秒鐘，使其凝固成型，這樣就形成一個(gè)堅(jiān)固的分子鏈，達(dá)到焊接的目的，焊接強(qiáng)度能接近于原材料強(qiáng)度。超聲波塑料焊接的好壞取決于換能器焊頭的振幅，所加壓力及焊接時(shí)間等三個(gè)因素，焊接時(shí)間和焊頭壓力是可以調(diào)節(jié)的，振幅由換能器和變幅桿決定。這三個(gè)量相互作用有個(gè)適宜值，能量超過(guò)適宜值時(shí)，塑料的熔解量就大，焊接物易變形；若能量小，則不易焊牢，所加的壓力也不能太大。這個(gè)**佳壓力是焊接部分的邊長(zhǎng)與邊緣每1mm的**佳壓力之積。 超聲波塑料焊接的常用方法有： 
　　1、熔接法：超聲波振動(dòng)隨焊頭將超聲波傳導(dǎo)**焊件，由于兩焊件處聲阻大，因此產(chǎn)生局部高溫，使焊件交界面熔化。在一定壓力下，使兩焊件達(dá)到美觀、快速、堅(jiān)固的熔接效果。
　　2、埋植(插)法：螺母或其它金屬欲插入塑料工件。shou先將超聲波傳**金屬，經(jīng)高速振動(dòng)，使金屬物直接埋入成型塑膠內(nèi)，同時(shí)將塑膠熔化，其固化后完成埋插。
　　3、鉚接法：欲將金屬和塑料或兩塊性質(zhì)不同的塑料接合起來(lái)，可利用超聲波鉚接法，使焊件不易脆化、美觀、堅(jiān)固。
　　4、點(diǎn)焊法：利用小型焊頭將兩件大型塑料制品分點(diǎn)焊接，或整排齒狀的焊頭直接壓于兩件塑料工件上，從而達(dá)到點(diǎn)焊的效果。
　　5、成型法：利用超聲波將塑料工件瞬間熔化成型，當(dāng)塑料凝固時(shí)可使金屬或其它材質(zhì)的塑料牢固。
6、切除法：利用焊頭及底座的特別設(shè)計(jì)方式，當(dāng)塑料工件剛射出時(shí)，直接壓于塑料的枝干上，通過(guò)超聲波傳導(dǎo)達(dá)到切除的效果。
六,超聲波的危害
超聲波雖然我們聽(tīng)不到，但是身體器官依舊會(huì)接受、反應(yīng)這種震波。超聲波是一種能量，傳導(dǎo)到人體中，必然會(huì)產(chǎn)生某種效果。理論研究表明,在振幅相同的條件下,一個(gè)物體振動(dòng)的能量與振動(dòng)頻率成正比。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率很高,因而能量很大，而且容易集中，方向性又很強(qiáng)，所以對(duì)物質(zhì)能產(chǎn)生強(qiáng)大作用。這樣強(qiáng)大的能量是人體不能承受的，長(zhǎng)期處于超聲波環(huán)境之下，就會(huì)對(duì)人體，特別是精密器官產(chǎn)生損害，出現(xiàn)耳鳴、心悸、頭暈、惡心等癥狀，嚴(yán)重可致死。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
    低劑量的超聲是潛在的致癌與致畸形的因素，而且不同頻率、不同聲強(qiáng)對(duì)不同個(gè)體有一定危害。因?yàn)槌暡▽?duì)固體和液體都有很強(qiáng)的穿透本*，能量較大時(shí)可以使物質(zhì)微粒作高頻振動(dòng)，部分能量還可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽咕植繙囟壬摺８邚?qiáng)度的脈沖超聲波在含有微米級(jí)小氣泡的液體中傳播時(shí)，可導(dǎo)致氣泡收縮、膨脹以**猛烈爆炸，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“空化現(xiàn)象”。不久前美G**超生物物理**卡斯坦森指出，某些臨床使用的超聲圖像診斷儀的**大輸出強(qiáng)度已達(dá)1千瓦／平方厘米，這個(gè)強(qiáng)度足以使生物體產(chǎn)生瞬態(tài)空化現(xiàn)象。對(duì)生物體來(lái)說(shuō)，瞬態(tài)空化作用時(shí)，靠近爆炸氣泡附近的細(xì)胞會(huì)受到損傷。
超聲波的危害還有高溫效應(yīng)，震波會(huì)讓物體的內(nèi)部微粒高頻振動(dòng)，產(chǎn)生熱效應(yīng)，生物體體內(nèi)過(guò)熱自然會(huì)不舒服。超聲波分好多波段，醫(yī)用超聲波只要操作得當(dāng)，對(duì)人體基本無(wú)害。要注意的是飛機(jī)、工業(yè)機(jī)械等產(chǎn)生的超聲波。
而超聲波產(chǎn)品在給人們帶來(lái)福利的同時(shí)，也不可避免的產(chǎn)生一些危害。例如：
1、超聲加濕器雖然能增加空氣濕度，釋放大量負(fù)離子，但對(duì)人體有利的同時(shí)，也對(duì)人體有危害，尤其是對(duì)老人，小孩。超聲波型加濕器的原理是利用超聲波產(chǎn)生的高頻振蕩將水打散成直徑只有1-5微米的細(xì)小顆粒，再利用風(fēng)動(dòng)裝置，將這些小顆粒吹到空氣中，這些小顆粒直觀的看來(lái)就是蒙蒙的水霧。這種加濕器的令人不滿意的一面就是會(huì)產(chǎn)生“白粉”。因?yàn)樗泻么罅库}，鎂等離子，尤其是水質(zhì)不好的地方，這些鈣，鎂離子也隨著水霧一同擴(kuò)散到空氣中，這就是“白粉”。其主要原因是：超聲波加濕器噴出的水霧是肉眼可見(jiàn)的、直徑幾微米的水珠顆粒，每個(gè)顆粒都是由上萬(wàn)個(gè)水分子組成，其中還含有大量水垢、細(xì)菌等雜質(zhì)，隨著水霧的噴出，水垢（俗稱(chēng)白粉）、細(xì)菌等污染物也被噴到了空氣中，被人體吸入造成健康隱患。 另一方面，空氣中的細(xì)菌、粉塵也是幾微米的顆粒，與超聲波振蕩加濕器噴出的顆粒大小相近，這些污染顆粒物本應(yīng)該是自由沉降的，當(dāng)使用超聲波加濕器時(shí)，噴射出的大顆粒水珠很容易粘附這些空氣中的污染物，進(jìn)而將本該沉降的污染顆粒物散揚(yáng)到空氣中，造成二次污染！因此在對(duì)空氣要求**嚴(yán)格的醫(yī)院里是不允許使用超聲波振蕩型加濕器的。
2、醫(yī)學(xué)上診斷用的B超，是根據(jù)超聲波遇到物體反射成像的原理研制出來(lái)的，探頭放在人體表面，產(chǎn)生進(jìn)入人體的超聲波，也接收反射回的超聲波，經(jīng)過(guò)處理，便產(chǎn)生了相應(yīng)的圖像。而超聲波在生物組織中傳播，就會(huì)對(duì)生物組織產(chǎn)生作用，確保超聲診斷的安全是一個(gè)非常重要的問(wèn)題，也是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題。從根本上來(lái)說(shuō)，超聲波對(duì)于生物組織的效應(yīng)是物理作用，大體上可分為熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)：當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播，它的部分能量會(huì)經(jīng)過(guò)磨擦、熱傳導(dǎo)等過(guò)程不斷轉(zhuǎn)化為熱能，使介質(zhì)的溫度升高。溫度的升高會(huì)使組織產(chǎn)生很多變化。同時(shí)大幅度的超聲波產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)，可能造成組織斷裂和粉碎。因而從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，超聲波對(duì)生物組織不是**安全的，會(huì)產(chǎn)生一定的危害。
 
 
參考文獻(xiàn)：
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大學(xué)物理科技活動(dòng)——小 論 文

（2012年秋季學(xué)期）
 
 
超聲波技術(shù)及其應(yīng)用
姓名  杜超       
班級(jí)  機(jī)械 11-04
學(xué)號(hào)  110501412
指導(dǎo)教師  單亞拿
 
2011年11月