超声波在生活生产中的应用

发布时间 : 2018-01-13 点击次数 :

超声波是一种频率大于20000Hz的机械波,因为其频率大于等于人类耳朵所能听到的上限而得名。超声波并不是一种神秘的东西,它在人类的生活生产中有着很多的应用。

深入理解超声波

波是现实中十分常见的物理现象,波动是物质运动的重要形式,广泛存在于自然界。按性质来分:波主要有四种――机械波、电磁波、引力波、物质波。其中,机械波是物体的振动而产生,比如乐器发出的声波,水振动而产生的水波等,机械波的传输需要介质的参与;电磁波,又称电磁辐射,是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动,其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面,有效地传递能量和动量。光是一种电磁波,因为传播电磁波的是场,所以电磁波的传输不需要介质的参与,可以在真空中进行;引力波是时空弯曲在空间中以波的形式移动;物质波属于量子力学的范畴,任何物质既有粒子性又有波动性(波粒二象性),因此就有物质波,也称为德布罗意波,如电子波、中子波等。所有波都频率、波长、相位三要素。


声波是一种常见的机械波,成年人的耳朵所能听到的声波的范围为16Hz-20000Hz,为了便于记忆,一般记为20Hz-20000Hz低于20Hz的声波称为次声波,而高于20000Hz的声波则称为超声波,这就超声波的由来。其实,人耳朵所能听到声波的频率是与年龄相关的,随着年龄的增长,人耳所能听到声波频率范围会变小,小孩子能听到30000Hz~40000Hz的声波,听觉好的成年人能听到的声音频率常在30Hz~16000Hz之间,50岁以上的人只能听到13000Hz的声波,老年人则常在50Hz~10000Hz之间,而且老年人会先丧失对高频信号的听觉,并会逐渐向中频和低频发展,发展到中频是就会影响到语言交际。

超声波在生活生产中的应用  

超声波的特点是:方向性好(与功率和频率呈正相关关系),穿透能力强,易于获得较集中的声能,因此超声波被广泛运用于医学、军事、工业、农业上有很多的应用。

超声检查

声波的传播速度在某种介质中是一定的,根据速度=波长*频率可知,频率越高的波波长越短。因此,超声波的波长比可听声波要短,而且具有较好的方向性,并能够透过不透明物质,这一特性已被广泛用于领域,比如大家平时经常听到和用到的B超。


B超因为灰阶(即亮度,Brightness)第一个英文字母B而命名,超即“超声”,B超也称为二维超声或灰阶超声,其利用的是超声成像技术原理。把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上,从试样透出的超声波携带了被照部位的信息(如对声波的反射、吸收和散射的能力),经声透镜汇聚在压电接收器上,所得电信号输入放大器,利用扫描系统再把不透明试样的形象显示在荧光屏上,从而发现病灶。


在B超之后,有了彩色超声、三维超声和四维超声,虽然较B超更为先进,但仍然利用的是超声波技术和原理。

碎石

超声波的频率很高,产生的能量较大(声波的能量与频率的平方成正比),可以用来来击碎人体体内的结石(比如:肾脏或胆等器官上的结石)。先将电能转变为声波,声波在超声转换器内产生能,通过超声电极传递到超声探杆上,使其顶端发生纵向振动,利用超声波回声的强大冲击力来击碎人体内的结石,而且不会对柔软的组织造成损伤。由于不用开刀,不会对身体造成伤害,属于微创手术,给病人带来了福音,并被广泛应用于医学领域。

消融肿瘤

利用超声波的聚集现象,让超声波在一个精确的点产生聚集,可以产生3000倍以上足够高的能量,将聚集区域内的肿瘤细胞杀死。这项发明,称为聚焦超声手术,第一例手术在中国成功实施,而且先后获得了国家技术发明二等奖和国家科技进步二等奖,这也是国产医疗器械行业迄今为止获得过的最高的科技奖项。

探伤

超声波探伤是利用超声穿透力强的特性,超声波透入金属材料的深处,并由一截面进入另一截面时,在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法。当超声波束自零件表面由探头通至金属内部,遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波,在荧光屏上形成脉冲波形,可以根据这些波形来判断缺陷位置和大小。

测距与测速

由于超声波指向性强,能量衰减缓慢,在介质中传播的距离较远(超声波在不同介质中的传播速度不同,在固体中的传播速度要高于液体,液体中的传播速度要高于气体),因而超声波经常用于距离的测量,进行距离测量后,除以时间,就可以得到速度。


同时,利用超声波来测量距离和速度往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量精度方面能达到工业级的要求,因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。

雷达

科学家们曾经研究过蝙蝠为什么能够在夜里飞行,蝙蝠在夜间飞行时,一边飞,一边从嘴里发出一种声波,这种声音叫做超声波,人的耳朵是听不见的,蝙蝠的耳朵却能听见。超声波像波浪一样向前推进,遇到障碍物就反射回来,传到蝙蝠的耳朵里,蝙蝠就立刻改变飞行的方向。

雷达就是仿照蝙蝠发出超声波并利用探测和反射原理绕开障碍物的原理而发明出来的,雷达已经被应用于军事和生活等领域,比如军事雷达、倒车雷达等。用来发现并绕过障碍物的,比如倒车雷达就是利用了超声波。

超声波清洗

超声波清洗,利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用,使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。


超声波清洗机原理由超声波发生器发出高频振荡信号,通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质--清洗溶剂中,超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射,使液体流动而产生数以万计的直径为50μm-500μm 的微小气泡,存在于液体中的微小气泡在声场的作用下振动。这些气泡在超声波纵向传播的负压区形成、生长,而在正压区,当声压达到一定值时,气泡迅速增大,然后突然闭合。并在气泡闭合时产生冲击波,在其周围产生上千个大气压瞬间高压和几百度的高温,破坏不溶性污物而使他们分散于清洗液中,当团体粒子被油污裹着而黏附在清洗件表面时,油被乳化,固体粒子及脱离,从而达到清洗件净化的目的,这个过程被称为“空化效应”。


超声波清洗可以用在很多方面,比如清洗掉瓜果、蔬菜上残留农药,清洗掉油烟机上的油垢,清洗掉眼镜上的污渍等,效果非常明显。2013年5月17日央视科教频道推荐使用超声波进行果蔬农药残留的去除,6月27日再次进行重播,深圳卫视财经生活频道也于9月份进行了相应的介绍与推荐。

超声波焊接

超声波焊接是利用超声波的高频振动特性,将超声波传递到两个需焊接的物体表面,在加压的情况下,使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合,主要用于塑料和金属的焊接。


超声波塑料焊接,是指热塑性塑料在超声波振动作用下,由于表面分子间摩擦生热而使两块塑料熔接在一起的方法。


超声波金属焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的金属表面,在加压的情况下,使两个金属表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。超声波金属焊接的优点很明显,因为是一种机械处理过程,在焊接过程中,没有电流在被焊件中流过,不会产生电焊模式的焊弧。而且,由于超声波焊接不存在热传导与电阻率等问题,因此对于有色金属材料来说,是一种非常理想的焊接方法,对于不同厚度的片材,也能有效地进行焊接。而且,整个过程非常快速且节能,熔合强度高,导电性好,无火花产生,接近冷态加工。

超声波杀菌消毒

超声波杀菌是指通过超声波的直接作用进行杀菌消毒,超声波杀菌机,将要杀菌的食品放在传送装置的被动辊端,匀速通过超声波换能器,再由传送装置的驱动辊端输出,实现了杀菌过程自动化,解决了现有技术杀菌不彻底和营养成分破坏的技术问题,主要用于水果罐头、牛奶、果汁、酱油、饮用水及酒类等含液体或液体的瓶装或袋装食品的杀菌。

超声波扬声器

声波是一种球面波,在传输的过程中极易产生衰减,当超过一定距离后就听不到或听不清,影响语音清晰度。同时,在室内扩声系统中,由于麦克风、功放和扬声器“同处一室”,麦克风采集的声音被功放放大后,往往会回到麦克风中,形成声反馈,产生自激和啸叫,也正是因为这样,麦克风的敏感度不能太高,不能实现远距离拾音。


超声波扬声器可以很好地解决上面的问题,首先,声波被调制成超声波定向传播,指向性好,而且在传输过程中几乎不产生衰减,到达受众后产生自解调,声压和声强不会发生减少,从而保证“听得见,听得清”;同时,由于超声波是定向传播的,因此声波不会向四面八方传输,也就不会再次回到麦克风中,不会产生声反馈、自激和啸叫现象,整个扩声系统中无需反馈抑制器;同时,系统中的麦克风的敏感度可以做得较高,实现远距离的拾音,让演讲者的活动范围更大。


在实现的应用中,由于受众较多,超声波扬声器的指向性较强,角度较小,要保证所有受众都能够接受到声波,可以采用超声波扬声器阵列,效果较好。


超声波在生活中与我们息息相关,超声波技术广泛应用于各行各业中,比如:超声波加湿器、超声波灭蚊器、超声波灭鼠器等,给人们带来各种便利。其应用也不断地的发展之中,相信将来会有更多的超声波技术服务于人类。

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