超聲波技術及其應用
資料整理：杜超
（城建學院 機械11-04）
摘要：介紹超聲波產生與傳播及其原理，重點介紹超聲波在各個*域的應用。超聲波不僅對人類有用還會產生各種各樣的危害,怎樣去除危害,更好的利用超聲波成為當今一個重要的課題.
關鍵詞：超聲波；發展及其應用；危害;
     
超聲的應用是一門以物理、電子、機械及材料學為基礎的通用技術之一。超聲技術是通過超聲波產生、傳播及接收的物理過程而完成的。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用稱功率超聲. 
2、用超聲波得到若干信息，獲得通信應用，稱檢測超聲.
一.什么是超聲波
超聲波是指頻率在所謂超聲波，是指人耳聽不見的聲波。正常人的聽覺可以聽到20赫茲（Hz）-20千赫茲（kHz）的聲波，低于20赫茲的聲波稱為次聲波或亞聲波，超過20千赫茲的聲波稱為超聲波^[4]。超聲波是聲波大家族中的一員，和可聞聲本質上是一致的，它們的共同點都是一種機械振動，通常以縱波的方式在彈性介質內傳播，是一種能量和動量的傳播形式，其不同點是超聲頻率高，波長短，在一定距離內沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。
二,發展及應用
早在1830年，F·Savart曾用齒輪，**次產生HZ的超聲，1876年F·Galton用氣哨產生Hz 的超聲。1912年4月10日，泰坦尼克號觸冰山沉沒，引起科學界注意，希望可以探測到水下的冰山。直到**次世界大戰中，德G大量使用潛艇，擊沉了協約G大量艦船，探測潛艇的任務又提到科學家的面前^[1]。當時的科學家郎之萬和他的朋友利用當時已出現的功率很大的放大器和石英壓電晶體結合起來，能向水下發射幾十千赫茲的超聲波，成功的將超聲波應用到實際中。
  現在，超聲波測試把超聲波作為一種信息載體，它已在海洋探測與開發、無損檢測、醫學診斷等*域發揮著不可取代的獨特作用。例如：在海洋應用中，超聲波可以用來探測魚群和冰山，可以用于潛艇導航或傳送信息、地形地貌測繪和地質勘探等。在檢測中，利用超聲波檢測固體材料內部缺陷、材料尺寸測量、物理參數側量等。在醫學中，可以利用超聲波進行人體內部器官的組織結構掃描和血流速度的測量等。
三,超聲波清洗及應用：
(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，在槽內作用超聲波。由于超聲波與聲波一樣是一種疏密的振動波，在傳播過程中，介質的壓力作交替變化。在負壓區域，液體中產生撕裂的力，并形成真空的氣泡。當聲壓達到一定值時，氣泡迅速增長，在正壓區域氣泡由于受到壓力擠破滅、閉合。此時，液體間相互碰撞產生強大的沖擊波。雖然位移、速度都非常小，但加速度卻非常大，局部壓力可達幾千個大氣壓，這就是所謂的空化效應。
(二) 影響清洗效果的幾個因素
1、與頻率的關系：一般頻率越低空化效果越明顯，但噪音相對較高，適用于物體面相對平正的物體。頻率越高，空化效果越差，但噪音相對較低，適用于微孔盲孔效多的物體及電子晶體等。
2、與溫度有關：一般30℃—50℃的介質溫度清洗效果**好。
3、與聲強有關：根據頻率不同，聲強一般選在1—2w/cm2左右。
4、與清洗液有關：一般來說，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。
(三)超聲波清洗在各種*域的應用
    由于超聲波清洗本身具有其它物理清洗或化學清洗無可比擬的優越性，因此廣泛應用于服務業、電子業、醫藥業、實驗室、機械業、硬質合金業、化學工業等諸多*域，下面就個別行業作簡單介紹。
1、在服務業中的應用。
   日常生產中，眼鏡、shou飾都可以用超聲波進行清洗，速度快，無損傷，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、超聲波在微粉業的應用
  眾所周知，要得不同大小的顆粒，是把破碎料放在球磨機內研磨后，經過不同規格篩子層層篩分而得的。篩子長時間使用后，篩孔會被堵塞（如金剛石篩），用其它方法刷洗會破壞篩子，且效果不理想，經過眾多廠家的試驗后，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、超聲波在制藥工業的應用
    超聲波清洗技術經過眾多制藥企業的應用而得到廣泛使用，特別是對西林瓶、口服液瓶、安瓶、大輸液瓶的清洗以及對丁基膠塞、天然膠塞的清洗方面，已經得到shou肯。對于瓶類的清洗，是用超聲波清洗技術代替原有的毛刷機，它經過翻轉注水、超聲清洗、內外沖洗、空氣吹干、翻轉等流程而實現的。
4、超聲對濾芯的清洗
    我們知道，無論何種材質的過濾器或無論何種用途的過濾器，使用一段時間后，都會由于雜質而造成通透性降低而報廢，普通濾芯價格較低還可以，但對于化纖行業，一只進口濾芯，價格近萬元，棄之實在可惜，我們同其它科研單位合作研制的超聲波濾芯清洗機，采用聚能型超聲波清洗機，它可把1KW以上的能量集中在200×20mm2 的輻射面上，超聲強度大，能夠快速將堵塞物去除，同時設備采用反過濾裝置，只要您提供波芯，我們就可為您提供整套清洗裝置。（該設備洗一根濾芯的時間為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#分頁標題#e#
5、超聲波對金屬的清洗
    眾所周知，金屬棒材經擠壓成絲后，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（尤其整盤絲），超聲波洗絲機是根據實際生產需要而設計的一種連續走絲，高效清洗設備，粗洗部分由清洗液儲槽、換能器、循環泵、過濾器及配套管道系統組成，金屬絲經超聲波粗洗精洗后，再經過吹干，從而完成整個清洗過程。整套設備集成控制，簡潔、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、超聲波清洗技術在磷化處理中的應用
    產品噴涂前處理工藝非常重要，一般的傳統工藝使用酸液對工件進行處理，對環境污染較重，工作環境較差，同時，**大的弊端是結構復雜零件酸洗除銹后的殘酸很難沖洗干凈。工件噴涂后，時間不長，沿著夾縫出現銹蝕現象，破壞涂層表面，嚴重影響產品外觀和內在質量。超聲波清洗技術應用到涂裝前處理后，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返銹。
     超聲波清洗在各行各業都可用到，以上的幾種僅是具有代表性的行業應用，還有許多新的行業和*域都可以使用超聲波清洗，期待著廣大使用單位和生產廠家共同開發探索。
四,超聲波測厚及應用
    在工業*域中超聲波測厚是一門成熟的高新技術，它的**大優點是檢測安全、可靠及精度高，而且它可以巡回在運行狀態進行檢測。超聲測厚儀按工作原理分：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理，與被測物表面的光潔度關系不密切，所以超聲波脈沖法測厚儀是**受用戶歡迎的一種儀表。
(一) 工作原理
    超聲波測厚儀主要有主機和探頭兩部分組成。主機電路包括發射電路、接收電路、計數顯示電路三部分，由發射電路產生的高壓沖擊波激勵探頭，產生超聲發射脈沖波，脈沖波經介質介面反射后被接收電路接收，通過單片機計數處理后，經液晶顯示器顯示厚度數值，它主要根據聲波在試樣中的傳播速度乘以通過試樣的時間的一半而得到試樣的厚度。  
(二) 測厚儀應用*域
     由于超聲波處理方便，并有良好的指向性，超聲技術測量金屬，非金屬材料的厚度，既快又準確，無污染，尤其是在只許可一個側面可按觸的場合，更能顯示其優越性，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，因此對冶金、造船、機械、化工、電力、原子能等各工業部門的產品檢驗，對設備安全運行及現代化管理起著主要的作用。
     超聲清洗與超聲測厚儀僅是超聲技術應用的一部分，還有很多*域都可以應用到超聲技術。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、超聲馬達等等。超聲波技術將在各行各業得到越來越廣泛的應用。
五、超聲波在塑料焊接方面的應用
　　當超聲波作用于熱塑性的塑料接觸面時，會產生每秒幾萬次的高頻振動，這種達到一定振幅的高頻振動，通過上焊件把超聲能量傳送到焊區，由于焊區即兩個焊接的交界面處聲阻大，因此會產生局部高溫。又由于塑料導熱性差，一時還不能及時散發，聚集在焊區，致使兩個塑料的接觸面迅速熔化，加上一定壓力后，使其融合成一體。當超聲波停止作用后，讓壓力持續幾秒鐘，使其凝固成型，這樣就形成一個堅固的分子鏈，達到焊接的目的，焊接強度能接近于原材料強度。超聲波塑料焊接的好壞取決于換能器焊頭的振幅，所加壓力及焊接時間等三個因素，焊接時間和焊頭壓力是可以調節的，振幅由換能器和變幅桿決定。這三個量相互作用有個適宜值，能量超過適宜值時，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**佳壓力是焊接部分的邊長與邊緣每1mm的**佳壓力之積。 超聲波塑料焊接的常用方法有： 
　　1、熔接法：超聲波振動隨焊頭將超聲波傳導**焊件，由于兩焊件處聲阻大，因此產生局部高溫，使焊件交界面熔化。在一定壓力下，使兩焊件達到美觀、快速、堅固的熔接效果。
　　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，經高速振動，使金屬物直接埋入成型塑膠內，同時將塑膠熔化，其固化后完成埋插。
　　3、鉚接法：欲將金屬和塑料或兩塊性質不同的塑料接合起來，可利用超聲波鉚接法，使焊件不易脆化、美觀、堅固。
　　4、點焊法：利用小型焊頭將兩件大型塑料制品分點焊接，或整排齒狀的焊頭直接壓于兩件塑料工件上，從而達到點焊的效果。
　　5、成型法：利用超聲波將塑料工件瞬間熔化成型，當塑料凝固時可使金屬或其它材質的塑料牢固。
6、切除法：利用焊頭及底座的特別設計方式，當塑料工件剛射出時，直接壓于塑料的枝干上，通過超聲波傳導達到切除的效果。
六,超聲波的危害
超聲波雖然我們聽不到，但是身體器官依舊會接受、反應這種震波。超聲波是一種能量，傳導到人體中，必然會產生某種效果。理論研究表明,在振幅相同的條件下,一個物體振動的能量與振動頻率成正比。超聲波在介質中傳播時,介質質點振動的頻率很高,因而能量很大，而且容易集中，方向性又很強，所以對物質能產生強大作用。這樣強大的能量是人體不能承受的，長期處于超聲波環境之下，就會對人體，特別是精密器官產生損害，出現耳鳴、心悸、頭暈、惡心等癥狀，嚴重可致死。#p#分頁標題#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、不同聲強對不同個體有一定危害。因為超聲波對固體和液體都有很強的穿透本*，能量較大時可以使物質微粒作高頻振動，部分能量還可以轉變為熱能，使局部溫度升高。高強度的脈沖超聲波在含有微米級小氣泡的液體中傳播時，可導致氣泡收縮、膨脹以**猛烈爆炸，這種現象稱為“空化現象”。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**大輸出強度已達1千瓦／平方厘米，這個強度足以使生物體產生瞬態空化現象。對生物體來說，瞬態空化作用時，靠近爆炸氣泡附近的細胞會受到損傷。
超聲波的危害還有高溫效應，震波會讓物體的內部微粒高頻振動，產生熱效應，生物體體內過熱自然會不舒服。超聲波分好多波段，醫用超聲波只要操作得當，對人體基本無害。要注意的是飛機、工業機械等產生的超聲波。
而超聲波產品在給人們帶來福利的同時，也不可避免的產生一些危害。例如：
1、超聲加濕器雖然能增加空氣濕度，釋放大量負離子，但對人體有利的同時，也對人體有危害，尤其是對老人，小孩。超聲波型加濕器的原理是利用超聲波產生的高頻振蕩將水打散成直徑只有1-5微米的細小顆粒，再利用風動裝置，將這些小顆粒吹到空氣中，這些小顆粒直觀的看來就是蒙蒙的水霧。這種加濕器的令人不滿意的一面就是會產生“白粉”。因為水中含用大量鈣，鎂等離子，尤其是水質不好的地方，這些鈣，鎂離子也隨著水霧一同擴散到空氣中，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的、直徑幾微米的水珠顆粒，每個顆粒都是由上萬個水分子組成，其中還含有大量水垢、細菌等雜質，隨著水霧的噴出，水垢（俗稱白粉）、細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該是自由沉降的，當使用超聲波加濕器時，噴射出的大顆粒水珠很容易粘附這些空氣中的污染物，進而將本該沉降的污染顆粒物散揚到空氣中，造成二次污染！因此在對空氣要求**嚴格的醫院里是不允許使用超聲波振蕩型加濕器的。
2、醫學上診斷用的B超，是根據超聲波遇到物體反射成像的原理研制出來的，探頭放在人體表面，產生進入人體的超聲波，也接收反射回的超聲波，經過處理，便產生了相應的圖像。而超聲波在生物組織中傳播，就會對生物組織產生作用，確保超聲診斷的安全是一個非常重要的問題，也是一個比較復雜的問題。從根本上來說，超聲波對于生物組織的效應是物理作用，大體上可分為熱效應和機械效應：當超聲波在介質中傳播，它的部分能量會經過磨擦、熱傳導等過程不斷轉化為熱能，使介質的溫度升高。溫度的升高會使組織產生很多變化。同時大幅度的超聲波產生的機械效應，可能造成組織斷裂和粉碎。因而從這個意義上來說，超聲波對生物組織不是**安全的，會產生一定的危害。
 
 
參考文獻：
[1] 應崇福, 查濟璇. 超聲和它的眾多應用[M]. 長沙:湖南教育出版社,1994
[2] 范百剛. 超聲原理與應用[M]. 南京: 江蘇科學技術出版社, 1984
大學物理科技活動——小 論 文

（2012年秋季學期）
 
 
超聲波技術及其應用
姓名  杜超       
班級  機械 11-04
學號  110501412
指導教師  單亞拿
 
2011年11月