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常见的超声波应用及其物理原理分析

* 来源: * 作者: admin * 发表时间: 2017/12/06 0:37:42 * 浏览: 54

一、超声波的产生

  声波是物体机械振动状态或能量的传播形式,而超声波是指振动频率大于20000Hz以上的,其每秒的振动次数已经超出人耳听觉上限,是一种被人们听不见的声波。与人耳可以听到的声波有所不同:超声波波长很短,衍射本领较差,在均匀介质中能够定向直线传播,而且超声波的波长越短,该特性就越显著。

二、超声的研究与发展

  早在1883年就已经有超声气哨的出现,但限于当时的科学技术水平,并没有挖掘出超声的巨大潜能和应用价值。

  到1917年,法国物理学家郎之万用天然压电石英制造成夹心式超声换能器,这也是首次成功地把超声设备应用于军事中。

  随着科学技术的不断发展,人们能产生和接收的超声波频率也在不断提高,目前正在逐步接近点阵热振动的频率。由于超声波的应用范围越来越广泛,对于他的研究也随之越来越深入,各个国家对于超声波的应用实践也更加重视。

三、超声波的实际应用及原理

  (一)在医疗体系的应用

  提及超声波,在日常生活的医疗体系的应用是Z为广泛的,其中Z为人们熟知,也是Z常用应用便是B超。B超是超声的主要检查方法,包括后来的内镜超声、三维成像等也都是在B型超声的基础上发展起来的。

  B超主要是应用了超声的成像技术,它通过同步信号同时发射和扫描电路,发射的电信号通过换能器换成超声波并入射到人体内。之后就同声音一样,它在人的身体内向一定的方向传播,而且可以穿透物体,当遇到阻碍时就会发出回声,遇到的阻碍不同,发出的回声也不同,然后人们把回声收集起来并显示在操作屏幕上。由于人体各脏器组织有特定的差异,超声波在不同的介质反射、折射、衰弱、声源与接收器相对运动产生多普勒等物理特性,然后应用超声检测仪,接受这些信号,再结合临床经验,总结不同的反射规律,从而对病人的病情做出合理诊断。

  (二)在生活中的应用

  超声清洗消毒,主要用于真空食品密封后,或者是在电子、光学医药等一些对工作环境要求较高或者制作物品要求的标准比较严格。

  比如,制药行业所使用的玻璃器具,在封口不适合高温加热的情况下,Z好的办法就是选择超声,不仅可以达到清洗的目的,还可以对容器的内外壁及瓶口残余的微生物进行打碎,从而达到清洗消毒的目的。

  这主要是通过换能器,将功率较高的声能转换成机械能,通过中间媒体介质,将超声波辐射到需要清洗或者消毒的部位,由于受到超声波的辐射,其能够使物体保持振动,并逐渐被分离。当声波强度较高时,便会产生纵波,之后就会产生一各压缩和膨胀交替的区域,由于不断地进行能量转换,可以使周围达到一个极高的温度,Z后达到消毒杀菌的目的。

  综合分析,超声波的清洗消毒原理,就是利用换能器将传播到媒体介质上的声能转化为所需要的机械能。

  (三)在工业生产中的应用

  1、超声焊接

  超声焊接包括金属的焊接及塑料的焊接,超声焊接具有焊接时间短、焊接电阻低、焊接表面干净、焊接更安全等特点。金属的超声焊接和塑料超声焊接的工作原理大体相同,都是通过换能器使超声波辐射的声能转化为机械能,然后机械能再转化为热能。

  金属的焊接是通过转化后的热能,将相结合出的金属分子活跃性增强,分子间是存在间隙的,通过分子间的相互运动及同性相斥异性相吸的物理原理,Z终达到需要焊接处的结合。塑料的超声焊接则是直接通过转化的机械能在通过摩擦的方式产生热能,通过将塑料融化对接再自然冷却达到焊接目的。

  2、用超声波处理废水污泥

  传统的废水在处理过后仍然会留下大量含水量高的污泥,而这些污泥必须在经过浓缩或者脱水后再可以被再次利用。但近几年新加坡某大学经过研究发现,通过超声波处理废水污泥,不仅成本低、效率高,而且还能在处理过程中产生有用的生物气体,环保性更强,副作用更低。

  超声波处理废水污泥的工作原理就是电流通过换能器,将电能转化成高强度的声能,也就是我们说的超声波,在超声波摄入到废水污泥当中时,就会产生许多微笑气泡,在气泡炸开后损坏细菌的外置细胞壁,然后通过厌氧消化把这些细菌处理掉,与此同时还可以产生更多的生物气体。通过有关研究发现,利用超声波处理废水污泥过程中产生的这些生物气体便是甲烷,将这些甲烷收集起来就可以直接燃烧发电,环保又实效。

  (四)在军事中的应用

  早期的潜艇主要靠与潜望镜进行观察,但有很大的局限性,其只能观察到水面以上的物体,对于水下则好像盲人一般,所以早起的潜艇任务的事故率非常高,往往因为看不到水下的鱼lei或者暗礁致使潜艇自身受到极大伤害。而现代采用的超声探测技术,就是利用回声探测来确定物体的危险级别。

  以水lei为例,由于水lei反射声波能力很弱,使探测水lei的任务更加困难艰巨,然而,在潜艇任务中不仅要能分辨出这些小目标,还要求jing准探测出他们所在的位置,目前的超声技术,已经探测沉底lei大约400米左右的距离。除此之外,超声还可以探测海洋里的沉船和暗礁,执行海底警戒的任务。

  (五)超声波的拓展应用

  超声波经过多年的研究与发展,在其基础上又延伸了两个新的概念——“次声波”和“声纳”。无损探伤是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下,对被检测不见的表面和内部质量进行检查的一种测试手段。

  超声的无损探伤就是利用超声波在不同介质进行反射,通过比对反射回来的能量来分析确定被检测工件的损伤程度。这种探伤方式较传统的验伤方式效率更高,探测出损伤的部位更精确,操作更安全,使用更加方便。

  超声波的出现给人们生活带来了众多便利,极大满足了人们对物质文化、精神文化的需求。此外,超声波对促进各国经济有效发展、巩固各国的国防水平都起到了不可替代的作用。但对于超声学的现有研究水平,远远不能满足人们对其潜在价值的深层探索,尤其是由其衍生出的各类复杂科学,已经激起各国科学家的研究兴趣。