超声波原理及其应用

超声波技术及其应用

资料整理：杜超

（城建学院 机械11-04）

摘要：介绍超声波产生与传播及其原理，重点介绍超声波在各个领域的应用。超声波不仅对人类有用还会产生各种各样的危害,怎样去除危害,更好的利用超声波成为当今一个重要的课题.

关键词：超声波；发展及其应用；危害;

超声的应用是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术之一。超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程而完成的。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。按超声振动幅射大小不同大致可分为：

1、用超声波使物体或物性变化的功率应用称功率超声.

2、用超声波得到若干信息，获得通信应用，称检测超声.

一.什么是超声波

超声波是指频率在所谓超声波，是指人耳听不见的声波。正常人的听觉可以听到20赫兹（Hz ）-20千赫兹（kHz ）的声波，低于20赫兹的声波称为次声波或亚声波，超过20千赫兹的声波称为超声波[4]。超声波是声波大家族中的一员，和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内传播，是一种能量和动量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。

二,发展及应用

早在1830年，F ·Savart 曾用齿轮，第一次产生4

104.2?HZ 的超声，1876年F ·Galton 用气哨产生4103?Hz 的超声。1912年4月10日，泰坦尼克号触冰山沉没，引起科学界注意，希望可以探测到水下的冰山。直到第一次世界大战中，德国大量使用潜艇，击沉了协约国大量舰船，探测潜艇的任务又提到科学家的面前[1]。当时的科学家郎之万和他的朋友利用当时已出现的功率很大的放大器和石英压电晶体结合起来，能向水下发射几十千赫兹的超声波，成功的将超声波应用到实际中。

现在，超声波测试把超声波作为一种信息载体，它已在海洋探测与开发、无损检测、医学诊断等领域发挥着不可取代的独特作用。例如：在海洋应用中，超

声波可以用来探测鱼群和冰山，可以用于潜艇导航或传送信息、地形地貌测绘和地质勘探等。在检测中，利用超声波检测固体材料内部缺陷、材料尺寸测量、物理参数侧量等。在医学中，可以利用超声波进行人体内部器官的组织结构扫描和血流速度的测量等。

三,超声波清洗及应用：

(一)超声波清洗原理

超声波清洗属物理清洗，把清洗液放入槽内，在槽内作用超声波。由于超声波与声波一样是一种疏密的振动波，在传播过程中，介质的压力作交替变化。在负压区域，液体中产生撕裂的力，并形成真空的气泡。当声压达到一定值时，气泡迅速增长，在正压区域气泡由于受到压力挤破灭、闭合。此时，液体间相互碰撞产生强大的冲击波。虽然位移、速度都非常小，但加速度却非常大，局部压力可达几千个大气压，这就是所谓的空化效应。

(二) 影响清洗效果的几个因素

1、与频率的关系：一般频率越低空化效果越明显，但噪音相对较高，适用于物体面相对平正的物体。频率越高，空化效果越差，但噪音相对较低，适用于微孔盲孔效多的物体及电子晶体等。

2、与温度有关：一般30℃—50℃的介质温度清洗效果最好。

3、与声强有关：根据频率不同，声强一般选在1—2w/cm2左右。

4、与清洗液有关：一般来说，清洗液的粘度越低含气量越高，清洗效果越好。

5、与清洗液的深度及被清洗物的位置有关。

(三)超声波清洗在各种领域的应用

由于超声波清洗本身具有其它物理清洗或化学清洗无可比拟的优越性，因此广泛应用于服务业、电子业、医药业、实验室、机械业、硬质合金业、化学工业等诸多领域，下面就个别行业作简单介绍。

1、在服务业中的应用。

日常生产中，眼镜、首饰都可以用超声波进行清洗，速度快，无损伤，大型的宾馆、饭店用它清洗餐具，不仅清洗效果好，还具有杀灭病毒的作用。

2、超声波在微粉业的应用

众所周知，要得不同大小的颗粒，是把破碎料放在球磨机内研磨后，经过不

同规格筛子层层筛分而得的。筛子长时间使用后，筛孔会被堵塞（如金刚石筛），用其它方法刷洗会破坏筛子，且效果不理想，经过众多厂家的试验后，用超声波清洗，不仅不损坏筛子，而且筛子上面的堵塞颗粒完全被回收。

3、超声波在制药工业的应用

超声波清洗技术经过众多制药企业的应用而得到广泛使用，特别是对西林瓶、口服液瓶、安瓶、大输液瓶的清洗以及对丁基胶塞、天然胶塞的清洗方面，已经得到首肯。对于瓶类的清洗，是用超声波清洗技术代替原有的毛刷机，它经过翻转注水、超声清洗、内外冲洗、空气吹干、翻转等流程而实现的。

4、超声对滤芯的清洗

我们知道，无论何种材质的过滤器或无论何种用途的过滤器，使用一段时间后，都会由于杂质而造成通透性降低而报废，普通滤芯价格较低还可以，但对于化纤行业，一只进口滤芯，价格近万元，弃之实在可惜，我们同其它科研单位合作研制的超声波滤芯清洗机，采用聚能型超声波清洗机，它可把1KW以上的能量集中在200×20mm2 的辐射面上，超声强度大，能够快速将堵塞物去除，同时设备采用反过滤装置，只要您提供波芯，我们就可为您提供整套清洗装置。（该设备洗一根滤芯的时间为10—15分钟）。适用于PP绵滤芯、活性炭滤芯、中空纤维滤芯陶瓷膜滤芯。

5、超声波对金属的清洗

众所周知，金属棒材经挤压成丝后，金属丝的外部往往有一层碳化膜和油，用酸清洗或其它清洗方法，很难让污物去除（尤其整盘丝），超声波洗丝机是根据实际生产需要而设计的一种连续走丝，高效清洗设备，粗洗部分由清洗液储槽、换能器、循环泵、过滤器及配套管道系统组成，金属丝经超声波粗洗精洗后，再经过吹干，从而完成整个清洗过程。整套设备集成控制，简洁、方便、效果好，广泛用于钽丝、钨丝、钼丝、铌丝、铜丝（绝缘漆涂覆前）等其它金属丝。

6、超声波清洗技术在磷化处理中的应用

产品喷涂前处理工艺非常重要，一般的传统工艺使用酸液对工件进行处理，对环境污染较重，工作环境较差，同时，最大的弊端是结构复杂零件酸洗除锈后的残酸很难冲洗干净。工件喷涂后，时间不长，沿着夹缝出现锈蚀现象，破坏涂层表面，严重影响产品外观和内在质量。超声波清洗技术应用到涂装前处理后，

不仅能使物体表面和缝隙中的污垢迅速剥落，而且涂装件喷涂层牢固不会返锈。

超声波清洗在各行各业都可用到，以上的几种仅是具有代表性的行业应用，还有许多新的行业和领域都可以使用超声波清洗，期待着广大使用单位和生产厂家共同开发探索。

四,超声波测厚及应用

在工业领域中超声波测厚是一门成熟的高新技术，它的最大优点是检测安全、可靠及精度高，而且它可以巡回在运行状态进行检测。超声测厚仪按工作原理分：有共振法、干涉法及脉冲反射法等几种，由于脉冲反射法并不涉及共振机理，与被测物表面的光洁度关系不密切，所以超声波脉冲法测厚仪是最受用户欢迎的一种仪表。

(一) 工作原理

超声波测厚仪主要有主机和探头两部分组成。主机电路包括发射电路、接收电路、计数显示电路三部分，由发射电路产生的高压冲击波激励探头，产生超声发射脉冲波，脉冲波经介质介面反射后被接收电路接收，通过单片机计数处理后，经液晶显示器显示厚度数值，它主要根据声波在试样中的传播速度乘以通过试样的时间的一半而得到试样的厚度。

(二) 测厚仪应用领域

由于超声波处理方便，并有良好的指向性，超声技术测量金属，非金属材料的厚度，既快又准确，无污染，尤其是在只许可一个侧面可按触的场合，更能显示其优越性，广泛用于各种板材、管材壁厚、锅炉容器壁厚及其局部腐蚀、锈蚀的情况，因此对冶金、造船、机械、化工、电力、原子能等各工业部门的产品检验，对设备安全运行及现代化管理起着主要的作用。

超声清洗与超声测厚仪仅是超声技术应用的一部分，还有很多领域都可以应用到超声技术。比如超声波雾化、超声波焊接、超声波钻孔、超声波研磨、超声波抛光、超声马达等等。超声波技术将在各行各业得到越来越广泛的应用。五、超声波在塑料焊接方面的应用

当超声波作用于热塑性的塑料接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。又由于塑

料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。超声波塑料焊接的好坏取决于换能器焊头的振幅，所加压力及焊接时间等三个因素，焊接时间和焊头压力是可以调节的，振幅由换能器和变幅杆决定。这三个量相互作用有个适宜值，能量超过适宜值时，塑料的熔解量就大，焊接物易变形；若能量小，则不易焊牢，所加的压力也不能太大。这个最佳压力是焊接部分的边长与边缘每1mm的最佳压力之积。超声波塑料焊接的常用方法有：

1、熔接法：超声波振动随焊头将超声波传导至焊件，由于两焊件处声阻大，因此产生局部高温，使焊件交界面熔化。在一定压力下，使两焊件达到美观、快速、坚固的熔接效果。

2、埋植(插)法：螺母或其它金属欲插入塑料工件。首先将超声波传至金属，经高速振动，使金属物直接埋入成型塑胶内，同时将塑胶熔化，其固化后完成埋插。

3、铆接法：欲将金属和塑料或两块性质不同的塑料接合起来，可利用超声波铆接法，使焊件不易脆化、美观、坚固。

4、点焊法：利用小型焊头将两件大型塑料制品分点焊接，或整排齿状的焊头直接压于两件塑料工件上，从而达到点焊的效果。

5、成型法：利用超声波将塑料工件瞬间熔化成型，当塑料凝固时可使金属或其它材质的塑料牢固。

6、切除法：利用焊头及底座的特别设计方式，当塑料工件刚射出时，直接压于塑料的枝干上，通过超声波传导达到切除的效果。

六,超声波的危害

超声波虽然我们听不到，但是身体器官依旧会接受、反应这种震波。超声波是一种能量，传导到人体中，必然会产生某种效果。理论研究表明,在振幅相同的条件下,一个物体振动的能量与振动频率成正比。超声波在介质中传播时,介质质点振动的频率很高,因而能量很大，而且容易集中，方向性又很强，所以对物质能产生强大作用。这样强大的能量是人体不能承受的，长期处于超声波环境之

下，就会对人体，特别是精密器官产生损害，出现耳鸣、心悸、头晕、恶心等症状，严重可致死。

低剂量的超声是潜在的致癌与致畸形的因素，而且不同频率、不同声强对不同个体有一定危害。因为超声波对固体和液体都有很强的穿透本领，能量较大时可以使物质微粒作高频振动，部分能量还可以转变为热能，使局部温度升高。高强度的脉冲超声波在含有微米级小气泡的液体中传播时，可导致气泡收缩、膨胀以至猛烈爆炸，这种现象称为“空化现象”。不久前美国著名超生物物理专家卡斯坦森指出，某些临床使用的超声图像诊断仪的最大输出强度已达1千瓦／平方厘米，这个强度足以使生物体产生瞬态空化现象。对生物体来说，瞬态空化作用时，靠近爆炸气泡附近的细胞会受到损伤。

超声波的危害还有高温效应，震波会让物体的内部微粒高频振动，产生热效应，生物体体内过热自然会不舒服。超声波分好多波段，医用超声波只要操作得当，对人体基本无害。要注意的是飞机、工业机械等产生的超声波。

而超声波产品在给人们带来福利的同时，也不可避免的产生一些危害。例如：

1、超声加湿器虽然能增加空气湿度，释放大量负离子，但对人体有利的同时，也对人体有危害，尤其是对老人，小孩。超声波型加湿器的原理是利用超声波产生的高频振荡将水打散成直径只有1-5微米的细小颗粒，再利用风动装置，将这些小颗粒吹到空气中，这些小颗粒直观的看来就是蒙蒙的水雾。这种加湿器的令人不满意的一面就是会产生“白粉”。因为水中含用大量钙，镁等离子，尤其是水质不好的地方，这些钙，镁离子也随着水雾一同扩散到空气中，这就是“白粉”。其主要原因是：超声波加湿器喷出的水雾是肉眼可见的、直径几微米的水珠颗粒，每个颗粒都是由上万个水分子组成，其中还含有大量水垢、细菌等杂质，随着水雾的喷出，水垢（俗称白粉）、细菌等污染物也被喷到了空气中，被人体吸入造成健康隐患。另一方面，空气中的细菌、粉尘也是几微米的颗粒，与超声波振荡加湿器喷出的颗粒大小相近，这些污染颗粒物本应该是自由沉降的，当使用超声波加湿器时，喷射出的大颗粒水珠很容易粘附这些空气中的污染物，进而将本该沉降的污染颗粒物散扬到空气中，造成二次污染！因此在对空气要求最严格的医院里是不允许使用超声波振荡型加湿器的。

2、医学上诊断用的B超，是根据超声波遇到物体反射成像的原理研制出来

的，探头放在人体表面，产生进入人体的超声波，也接收反射回的超声波，经过处理，便产生了相应的图像。而超声波在生物组织中传播，就会对生物组织产生作用，确保超声诊断的安全是一个非常重要的问题，也是一个比较复杂的问题。从根本上来说，超声波对于生物组织的效应是物理作用，大体上可分为热效应和机械效应：当超声波在介质中传播，它的部分能量会经过磨擦、热传导等过程不断转化为热能，使介质的温度升高。温度的升高会使组织产生很多变化。同时大幅度的超声波产生的机械效应，可能造成组织断裂和粉碎。因而从这个意义上来说，超声波对生物组织不是绝对安全的，会产生一定的危害。

参考文献：

[1] 应崇福, 查济璇. 超声和它的众多应用[M]. 长沙:湖南教育出版社,1994

[2] 范百刚. 超声原理与应用[M]. 南京: 江苏科学技术出版社, 1984

大学物理科技活动——小论文（2012年秋季学期）

超声波技术及其应用

姓名杜超

班级机械 11-04

学号 110501412

指导教师单亚拿

2011年11月