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超声波特性及其应用

热度0票  浏览1次 时间:2021年9月13日 09:15
(河北省衡水学院物理与电子信息系,河北 衡水 053000 )
摘. . 要:随着科技的发展,人们对超声波的特性的认识越来越深刻,超声波的高能量、定向性等特点为其应用奠定了坚实的基础,超声波的机械作用、空化作用、热作用在工业、人类生活、医疗等行业等到了广泛的应用。
关键词:超声波;高能量;定向性;应用
声波是物体的振动在介质中传播产生的,它每时每刻都围绕在我们身边,与我们形影不离。声学就是研究声波在介质中传播、辐射、散射、吸收、接收和能量等规律的科学,声波的能量大小与其频率的平方成正比,频率是单位时间内振动的次数,单位是赫兹,按频率对声波进行分类,把频率低于 20 赫兹的波称为次声波,20 赫兹至 20k赫兹的波称为可闻波,属于我们人耳能分辨的范围,频率为大于 20k赫兹的波称为超声波。不同频率的声波具有不同的特点,对应有不同的应用,从而,使声音变成了当今社会的一种新的资源。可见,超声波属于声波的范畴,其频率高于 20k 赫兹的声波,超声波作为信息的载体、作为遥测遥感的信息的手段,使得它在医学、生活、工业、农业上有很多的应用。
1?超声波特性简介
超声波的频率高于 20000Hz, 其低限超出了人耳可听到的频率范围,所以一般人是听不见超声的。我们知道,在振幅相同的条件下,波具有的能量与其频率的平方称正比,超声波的频率可高达 1011kz,所以超声波能量大,但超声波的强度随着传播距离的增加按着指数的规律减少;超声波具有声波的普遍特性,当它作用到不同的介质时,会产生声的反射,在不同的界面有反射的特性,与此同时还伴有对声波的吸收。超声波的反射和折射与介质的声阻有关(声阻和电路的电阻类似),两中介的声阻决定了声波的反射系数,当声阻相差很大时会产生全反射,所以可以通过改变介质的声阻来控制声波的反射和透射规律 ;另外超声波的波长短,波长越短其衍射的现象就越不明显,所以近似沿直线传播,易于得到定向和集中的超声波束,可以用于定向的发射; 超声波的穿透能力很强,但超声波在空气中衰减很快、在液体和固体中衰减很小,介质的吸收系数不仅和介质的声阻有关,还和超声波的频率有关,频率越高穿透能力越差,所以选择合适的频率尤为重要。
超声波在介质中传播时会产生一系列的力、热、光、电和化学的效应,随之伴随有三种作用,第一,超声波传播中的机械作用,即机械能量的传播,这种机械能量能使介质的质点间的声压剪切、振动、加速度冲击等效应;第二,超声波传播中还有空化作用,空化过程为大量空气泡的形成、长大和剧烈的崩溃,使局部点的极端高温高压,伴随引起湍动、微扰、聚能等多种效应;第三,超声波传播中的热作用,运动产生热量,超声波的振动能量被介质吸收,转变为热能,使介质的自身温度升高。
超声波的这些特性为此其实际的应用奠定了基础。
2?超声波的应用
超声波的高频率决定了它的高能量,它的短波长决定了它的定向性,它的高能量、直线传播和介质对此的吸收特性得到了很广泛的应用。
2.1 超声波在工业生产方面的应用。
超声波在生产检验方面的应用,利用的就是超声波较好的方向性和声波在不同的界面有反射性,它能够穿过不透明物质,这些特性已被广泛用于超声波探伤。超声波探测仪是工业上广泛应用的便携式无损探测仪,其特点是能无损伤、方便、快捷、精确的探测物体内部的各种断痕、气泡、杂质、焊缝等缺陷,利用声波反射的信号的特性可以精准的探测出物体内部的问题的大小和形状。利用超声探测仪还可以对航天材料、铁路交通材料、高压锅炉材料进行寿命检测和评估。
随着工业自动化程度的提高,对测距技术的要求越来越高,比如不接触测量、不受光线和物体颜色影响的测量、动测量等,超声测距显示了其无比的优越性,超声波测距的原理是应用了超声波发射器和超声波接收器,通过超声波发射换能器发射超声波,到达到目标障碍物,设待测的距离为 L,超声波从发射到接收收用的时间为 t, 则L= Ct/2。基于此原理,超声测量不仅测量的范围广、可控性好。目前为止,超声波测量不仅在液体位置测量和建筑测量应用广泛,而且在集成电路的厘米级测量中能满足工业的要求,目前超声波测量精度方面有了很大的提高。
超声测厚速度快、安全可靠、精度高、无污染,已是一门比较成熟的技术,以广泛应用到厚各种板材、锅炉的厚度的测量,超声测量仪按原理分为脉冲反射法、干涉法、共振法等,其中脉冲反射法与待测物的表面光滑度无关,所以应用广泛于冶金、机械、造成、化工、电力等工业部门。
超声提取技术在食品、化工、制药行业也得到广泛的应用,利用超声波的空化作用和热作用能促使植物细胞壁的破裂,加快细胞内物质的释放,提供提取的效率。在甜菜蔗糖的提取、从哺乳动物的胃中提取高血压蛋白酶等许多实例都已证明。
超声波清洗工业器件也得到广泛的应用,利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应,可进行金玻璃、陶瓷制品、属零件的除垢,能使洗涤用品剧烈振动,强力冲击器件上的污垢,迅速的清洗掉物体上的污垢,能够即快又干净。
2.2 超声波在生活中的应用
众所周知,我国北方冬季的气候比较干燥,我们常用的室内加湿器就是利用超声波生成的,其原理是把超声波通入成有水的容器中,通过超声波的剧烈的振动,使容器中的水破碎成许多小雾滴,再通过小风扇把小雾滴吹出,就可以大大的增加室内空气的湿度。
我们的渔民,也常常利用超声波捕鱼,我们知道,超声波在空气中传播衰减很快,但在水中衰减很小,在水中超声波比电磁波和红外技术有很大的优越性,这种仪器就是声纳,其原理就是利用声纳这种仪器,旋转着向不同的方向发射出超声波,碰到鱼群超声波就会发生反射, 对水中的暗礁也会发生反射,渔民可以根据信号的情况,分辨鱼群和暗礁,这样,即提高了捕鱼量,又提高了安全行。
超声波洗碗机,就是利用的超声波的机械作用、空化作用,产生高能量、高压,去除餐具上的残渣和污渍,为家庭的卫生安全起到了决定行的作用。
超声波流量计分为超声波换能器、电子线路、流量显示和积累系统组成,其测量几乎不受压力、粘度、密度的影响,根据其检测方式可以分为传播速度差法、多普勒法、噪声法、波束偏移法等,其特点是适合测量不易接触、不易观察的流体,大管径管道流量的测量,且不会影响流体的流动状态、不产生附加的阻力。超声波流量计还可以用于气体的测量。目前,超声波流量计的确定是只能用于测量 200 度以下的流体,其原因是收到耦合材料耐温程度的限制。
2.3 超声波在医学方面应用
由于人体中的水分、软组织、脂肪、骨胳等对声波的吸收系数不同,人体的内脏表面对超声波的反射能力不同,健康的内脏和病变的内脏的放射能力也是不同的,利用超声波在人体中的不同的吸收、反射等特点,根据放射波出现的时间间隔、有无、强弱和形状等,来判断疾病;在医学的临床上,药物也可通过超声波的雾化,用于治疗咽炎、气管炎等;利用超声波的机械作用,可以击碎高频体内的大的结石,有利于排除,从而缓解病痛;利用超声波的剧烈作用进行切割,破环有害组织;利用超声波的高频振动,可以去除牙石、牙斑,抛光牙齿,使洁牙技术变得优质、高效、省时省力;利用超声波还可以对物品进行杀菌消毒,大大的提高了医院的安全性。
在医学影像诊断中,超声波也起了很大的作用,通过仪器发射超声波聚焦到病变处,运用病变部位对超声波的反射、吸收、散射,再通过声透镜汇聚信号,经放大显像设备成像,这就是超声显微镜,它在医疗诊断方面起到了重大作用。
总之,超声波具有其独特的特性,已被广泛应用于诊断、治疗、工程、生活等领域,随着科技的迅猛发展,超声波的应用会更加的广泛。
作者简介:
殷春英(1966-),女(汉族),河北冀州人,本科,教授,研究方向:
物理学。



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