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超声波技术应用现状及发展前景

* 来源: * 作者: admin * 发表时间: 2017/12/06 0:38:15 * 浏览: 59

超声波是频率大于20kHz以上的声波,是一种机械振动在媒质中的传播过程,由于其频率高,波长短,因而具有以下特性:

  ①方向性好:容易得到定向而集中的波束,既便于目标定位及定向发射,又便于聚焦,以获得较大的能量。

  ②功率大:超声波功率比一般声波功率强大得多,一般人说话的功率约为10-6W/m2(能波密度),而近代超声波技术能产生105~106W/m2的功率。

  ③穿透力强:超声波在气体中衰减很强,在液、固体中衰减较弱,所以有较强的穿透作用,在不透明的固体中,能穿透几十米的厚度。

  ④引起空化作用:超声波在液体中传播时,使液体介质不断受到压缩和拉伸,而液体耐压不耐拉,液体若受不住这种拉力,就会断裂而形成暂时的近似真空的空洞(尤其在含有杂质、气泡的地方),而到压缩阶段,这些空洞发生崩溃。崩溃时,空洞内部Z高瞬压可达几万个大气压,同时还将产生局部高温以及放电现象等,这就是空化作用。

  ⑤引起许多特殊效应:由于高能量超声波强烈的机械振动在击碎、搅拌、去气、扩散、渗透等效应中,都有重大作用,有时还会产生凝聚效应和分离效应。

  正是由于超声波有上述许多特殊的物理性能,因此其应用技术在现代化生产中发挥着独特的作用,并且随着科技的发展,将得到更加广泛的应用。

一、在工业中的应用

  超声工业探伤可对批量管材、板材或焊缝等进行无损检测,利用脉冲式超声波探伤仪可探测出金属零件或焊缝的缺陷(如气泡、夹缝、裂纹、未熔合等)。仪器有一探头,用于发射,接收超声波,利用反射脉冲与发射脉冲间能否出现另一缺陷脉冲,来判断缺陷的存在与缺陷的性质,并且可利用脉冲的高度实现对缺陷的定量分析,确定其所处深度位置,评估缺陷大小,依据国标是否判废。


  超声测厚也经常使用,超声波测厚仪利用波在管道、板材、玻璃等介质中传播时间及速度,可直接显示出其厚度或深度,由于具有仪器体积小、携带方便、操作简单等优点,非常适合于工程技术人员的现场操作。

  此外,采用连续式操作可获得高能量超声波,其强烈的机械振荡产生的击碎、搅拌、去气等特殊效应,可用来制备乳化剂或胶液;在冶金钢水处理中排除废气,并且可使钢的组织晶粒均匀细化以达到强化的目的;用超声波对金属表面进行切削、钻孔等加工;用超声波清洗管道、零件;对材料进行超声焊接(尤其是铝材);同样还可对金刚石、陶瓷、玻璃等刚性非金属材料进行深加工;如果以上处理能够在液体中进行,利用超声波的空化作用,使效果显著提高。

二、在医学领域中的应用

  在超声诊断方面,由于超声波波长较短,因而可研究更为细小范围的现象,从人体各部分反射的波可用来检查诸如肿瘤等疾病,并且可以研究心脏瓣膜活动等各种现象,在颅脑检查、妇产科胎儿保健等多方面得到应用。

  与X光相比,超声波不仅在辩别各种组织上比X光更灵敏,而且实践证明其危害比X光要小得多,因为超声是公种机械能,并无积累的效果。关于如何降低、消除超声的危害以及超声诊断的安全剂量等问题,有待于医学工作者做更进一步的研究和探讨。

  在超声治疗方面,高能量超专用波如治疗时剂量在1W/cm2以上,则生物组织不但会产生热效应,还会由于超声空化作用使生物组织产生破坏性形变,使其成为病理组织的有选择的破坏者。如在临床中用以粉碎结石、血栓等,并且在治疗癌症、关节炎、近视、偏瘫等顽症上收到“奇特”的效果,在外科手术中,更强的超声波可以用作非侵入性手术刀。据此,超声波在医学领域中的应用前景将十分可观。

三、在农业中的应用

  小麦、玉米、谷类等农作物的种子经过超声处理后,能加速种子发芽,提高发芽率,并且可以有效打破某些种子的休眠期(在中草药的种植方面效果尤为显著,这一点其医学意义重大)。

  经过超声处理的种子在遗传性方面有时会发生变异,所以可用此法培育新品种。经过科学研究表明,超声的生物作用因生物组织的复杂性作用机理也非常复杂,生物Z基本的细胞组织、染色体、原生质以及新陈代射、酶的作用等都会受到超声波作用的影响,超声处理可引起空泡周围的细胞壁和细胞质膜破损而发生可逆的质膜透性改变,使细胞内外发生物质交换。

  目前科技工作者已能成功地利用超声波将外源基因导入小麦、甜菜、烟草等原生质体中,但其作用机理有待进一步研究。此外,超声波处理土壤,可使土质变细变松软,改良土壤,利于栽培,超声波处理植物还有去病虫害的效果,其在农业中更多的应用有待于进一步开发。

四、在食品加工方面的应用

  超声萃取又名超声提取,即从原料中提取有用物质或成分。如把苹果、胡萝卜、菠菜等食品先打浆,经过超声处理、过滤,提取汁液,超声处理有助于浆体细化,提高出汁率和汁液质量。

  据了解在频率为400kHz,声强为6.5-62W/cm2超声作用下花生油的提取率提高了2.76倍。实践表明:超声萃取不仅在提取油类、香料中已经被广泛应用,而且在从动物肉体中萃取残留农药、在提取鱼肝油等方面效果颇好,还可以在一些药用植物中提取中草药,这一技术由于设备简单,操作方便,适于推广应用。目前各国都在超声萃取上投入了很多的科技研究,已经发现经过超声处理的豆浆能够有效提高蛋白质及固形物的萃取率,从而提高豆浆或豆奶的消化吸收率。

  利用超声的空化作用可以用来消灭细菌及微生物,超声灭菌较之高温加热灭菌效果更佳,不仅可保持其固有的营养成分,而且不破坏其原有的风味。如水果罐头用超声消毒后,会保留下来大量的纤维素,此法对农产品加工及贮存是很适用的。此外还可以利用其空化作用对一些果蔬、粮食进行清洗。

  另外,利用超声乳化技术用来制造果酱、果汁、色拉油等,比传统的乳化工艺设备,具有乳液滴小、乳液稳定、质量好、生产效率高等优点,使食品上档次、上等级。此外,还可进行超声粉碎颗粒,超声过滤,超声干燥等。

  近几年,超声波在食品检测中得以应用,如可对糕点、面包、饼干等充气类食品进行原料检测及Z终产品质量的检测;对饲养中的禽畜进行脂肪含量测定及品质鉴定;还可以用以监测肉类产品中脂肪的固化和融化;对果蔬的保鲜及成熟度进行检测等。总之,超声波在食品工业中的应用与发展前景更为乐观与实用。


五、其他方面

  在海洋中,超声波由于在水中衰减弱,适合作水里的信号系统,可用超声波探测潜艇位置、海底暗礁、鱼群,测定海深并绘制海底地形图等。在石油勘探中,油井的含油量可利用超声在油层中的声速估计出来,方便了蕴藏丰富的石油资源的开采。

  在改善生活环境中,可以利用超声雾化加湿,已经进入家庭使用的“超声波加湿器”就是利用换能器产生每秒170万次的高频超声振荡造成剧烈的水滴撕裂粉碎作用,雾化成不到5微米的颗粒,弥散到空气中,以达到调节空气湿度的目的。

  在科研方面,由于特高超声(频率在干兆赫以上)能够引起固体内部原子或晶格振动,而使其成为研究气、液、固体宏微观特性的一种重要途径;非声量的声测法由于精度高,速度快,已广泛应用于石油、化工部门中;声全息技术的日益发展在地质、医学领域的应用越来越重要。

  总之,超声波技术在工业、农业、医学等各个领域中发挥着巨大的作用,它与冶金、机械、农业、生物、材料、食品等各个学科与行业有着紧密的联系,超声波技术更加广泛的应用有待于科技工作者进一步的开发、应用并推广,随着科技的发展,相信在未来,超声波技术发展前景更为广阔,探索并应用超声波技术必将成为热门课题。