超聲波的產生及應用(43100714劉國政)

1、超聲波的產生及應用43100714 劉國政一、超聲波的產生超聲波是頻率高于20000赫茲的聲波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的 HYPERLINK /view/813391.htm t _blank 聲能，在水中傳播距離遠，可用于測距，測速，清洗，焊接，碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學、軍事、工業(yè)、農業(yè)上有很多的應用。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。 聲波是物體 HYPERLINK /view/15257.htm t _blank 機械振動狀態(tài)（或能量）的傳播形式。所謂振動是指物質的質點在其 HYPERLINK /view/533000.htm t _blank 平衡位置附近進

2、行的往返運動形式。譬如，鼓面經敲擊后，它就上下振動，這種振動狀態(tài)通過空氣媒質向四面八方傳播，這便是聲波。 超聲波是指振動頻率大于20000Hz以上的,其每秒的振動次數（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的上限（20000Hz），人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲和 HYPERLINK /view/1053882.htm t _blank 可聞聲本質上是一致的，它們的共同點都是一種機械振動模式，通常以 HYPERLINK /view/274476.htm t _blank 縱波的方式在 HYPERLINK /view/778.htm t _blank 彈性介質內會傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點

3、是超聲波頻率高， HYPERLINK /view/45341.htm t _blank 波長短，在一定距離內沿直線傳播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超 HYPERLINK /view/572341.htm t _blank 聲成象所用的頻率范圍在 25兆Hz之間，常用為33.5兆Hz（每秒振動1次為1Hz，1兆Hz=106Hz,即每秒振動100萬次，可聞波的頻率在1620，000HZ 之間）。超聲波是聲波大家族中的一員。 超聲波在媒質中的反射、折射、 HYPERLINK /view/59839.htm t _blank 衍射、散射等傳播規(guī)律，與可聽聲波的規(guī)律并沒有本質上的區(qū)別。但是超聲波的

4、波長很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米。與可聽聲波比較，超聲波具有許多奇異特性：傳播特性超聲波的波長很短，通常的障礙物的尺寸要比超聲波的波長大好多倍，因此超聲波的衍射本領很差，它在均勻介質中能夠定向直線傳播，超聲波的波長越短，這一特性就越顯著。功率特性當聲音在空氣中傳播時，推動空氣中的 HYPERLINK /view/736203.htm t _blank 微粒往復振動而對微粒做功。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。在相同強度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大。由于超聲波頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的。空化作用當超聲波在液體中傳播時，由于液體微粒的劇烈振動，會

5、在液體內部產生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合，會使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，從而產生幾千到上萬個大氣壓的壓強。微粒間這種劇烈的相互作用，會使液體的溫度驟然升高，起到了很好的攪拌作用，從而使兩種不相溶的液體（如水和油）發(fā)生乳化，并且加速溶質的溶解，加速化學反應。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應稱為超聲波的空化作用。頻率高于2104赫的聲波。研究超聲波的產生、傳播、接收，以及各種超聲效應和應用的聲學分支叫 HYPERLINK /view/78175.htm t _blank 超聲學。產生超聲波的裝置有機械型超聲發(fā)生器（例如氣哨、汽笛和液哨等）、利用 HYPERLINK /view/

6、34144.htm t _blank 電磁感應和電磁作用原理制成的電動超聲發(fā)生器、以及利用壓電晶體的電致伸縮效應和鐵磁物質的 HYPERLINK /view/132321.htm t _blank 磁致伸縮效應制成的 HYPERLINK /view/1017162.htm t _blank 電聲換能器等于人的聽覺上限而得名。二、超聲波的應用超聲波在工農業(yè)生產中有極其廣泛的應用。包括超聲波檢測、超聲波探傷、功率超聲、超聲波處理、超聲波診斷、超聲波治療等。超聲波在工業(yè)中可用來對材料進行檢測和探傷，可以測量氣體、液體和固體的物理參數，可以測量厚度、液面高度、流量、粘度和硬度等，還可以對材料的焊縫、粘

7、接等進行檢查。超聲波清洗和加工處理可以應用于切割、焊接、噴霧、乳化、電鍍等工藝過程中。超聲波清洗是一種高效率的方法，已經用于尖端和精密工業(yè)。大功率超聲可用于機械加工，使超聲波在拉管、拉絲、擠壓和鉚接等工藝中得到應用。應用在醫(yī)學中的超聲波診斷發(fā)展甚快，已經成為醫(yī)學上三大影象診斷方法之一，與X線、同位素分別應用于不同場合，例如超聲波理療、超聲波診斷、腫瘤治療和結石粉碎等。在農業(yè)中，可以用超聲波對有機體細胞的殺傷的特性來進行消毒滅菌，對作物種子進行超聲波處理，有利于種子發(fā)芽和作物增產。此外超聲波的液體處理和凈化可應用于環(huán)境保護中，例如超聲波水處理、燃油乳化、大氣除塵等。微波超聲的重點放在微波電子器件

8、，已經制成了超聲波延遲線、聲電放大器、聲電濾波器、脈沖壓縮濾波器等。下面，就對超聲波的幾個典型應用加以描述。1超聲波傳感器由于許多儀器及控制應用中均涉及到超聲波傳感器，尤其是在流量測量，材料無損檢驗及物位測量等方面，超聲波傳感器的應用尤為普遍。所以，在此首先簡要的介紹一下超聲波傳感器。廣義上來講，它是在超聲頻率范圍內將交變的電信號轉換成聲信號或者將外界聲場中的聲信號轉換為電信號的能量轉換器件，又稱為超聲波換能器或者超聲波探頭。超聲波傳感器分為發(fā)射換能器和接收換能器，既能發(fā)射超聲波又能接受發(fā)射出去的超聲波的回波。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應，而接收換能器則是利用壓電效應。超聲換能器的種類很

9、多，按照其結構可分為直探頭(縱波)、斜探頭(橫波)、表面波探頭、雙探頭(一個發(fā)射，一個接收)、聚焦探頭(將聲波聚集成一束)、水浸探頭(可浸在液體中)以及其它專用探頭。按照實現超聲換能器機電轉換的物理效應的不同可將換能器分為電動式、電磁式、磁致式、壓電式和電致伸縮式等。超聲波換能器的材料也有多種選擇，某些電介質(例如晶體、陶瓷、高分子聚合物等)在其適應的方向施加作用力時，內部的電極化狀態(tài)會發(fā)生變化，在電介質的某相對兩表面內會出現與外力成正比的符號相反的束縛電荷，這種由于外力作用使電介質帶電的現象叫做壓電效應。相反地，若在電介質上加一外電場，在此電場作用下，電介質內部電極化狀態(tài)會發(fā)生相應的變化，產

10、生與外加電場強度成正比的應變現象，這一現象叫做逆壓電效應。壓電材料是壓電換能器的研制、應用和發(fā)展的關鍵6。大致可分為五類：壓電單晶體、壓電多晶體、壓電半導體、壓電高分子聚合物、復合壓電材料。其中壓電陶瓷是壓電多晶體材料，這類壓電陶瓷為實心，均勻和一體的壓電功能材料，具有優(yōu)良的壓電性能。壓電陶瓷自問世以來，至今已有30多年歷史。無論在材料基礎研究方面或是在應用方面，都獲得了飛速的發(fā)展。由于壓電陶瓷的出現，開辟了壓電材料的廣闊前景，也使壓電換能器的理論發(fā)展和實際應用提高到一個新的高度。壓電陶瓷是當今最有可為的壓電材料，目前在壓電材料中無論數量上還是質量上均處于支配地位，其原因是它有如下優(yōu)點：(l)

11、所用原材料價廉且易得；(2)具有非水溶性，遇潮不易損壞；(3)壓電性能優(yōu)越；(4)品種繁多，性能各異，可滿足不同的設計要求；(5)機械強度好，易于加工成各種不同的形狀和尺寸；(6)采用不同的形狀和不同的電極化軸，可以得到所需的各種振動模式；(7)制作工藝較簡單，生產周期較短，價格適中。根據不同的實際應用情況，超聲波傳感器產生不同頻率。如應用在流量測量領域，聲波的頻率在30kHz到5MHz之間；應用在物位測量領域時，聲波的頻率會低一些，一般在30kHz到200kHz之間；而當應用在檢測裝置（如測厚儀和探傷檢驗裝置）上時，聲波的頻率范圍很廣，但是總體上來說要比用于其它領域時高很多。2超聲波測距超聲

12、波因其指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播距離遠等特點，而經常用于進行各種測量。如利用超聲波在水中的發(fā)射，可以測量水深、液位等利用超聲波測距，使用單片機系統，設計合理，計算處理也較方便，測量精度能達到各種場合使用的要求。2.1超聲波測距的原理 超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。 測距的公式表示為：L=CT 式中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時間差(T為發(fā)射到接收時間數值的一半)。 超聲波測距主要應用

13、于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達到百米，但測量的精度往往只能達到厘米數量級。 由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精度，但是目前國內的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用LM92溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后，我們設計的高精度超聲波測距儀便能達到毫米級的測量精度7。（美國國家半導體公司的LM92溫度傳感器的溫度測試分辨率為0.0625，-10至+85準確度為1.0，I2

14、C總線接口。用89C51的通用I/O端口能很容易的模擬I2C總線的讀寫時序，LM92的高精度溫度測量能很好的補償超聲波在不同溫度的傳播速度。2.2超聲波測距誤差分析 根據超聲波測距公式L=CT，可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。 1.時間誤差 當要求測距誤差小于1mm時，假設已知超聲波速度C=344m/s (20室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測距誤差st(0.001/344) 0.000002907s 即2.907ms7在超聲波的傳播速度是準確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達到微秒級，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時鐘基準

15、的89C51單片機定時器能方便的計數到1s的精度，因此系統采用89C51定時器能保證時間誤差在1mm的測量范圍內。 2.超聲波傳播速度誤差 超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關系。 已知超聲波速度與溫度的關系如下：近似公式為：C=C0+0.607T 式中：C0為零度時的聲波速度332m/s； T為實際溫度()。 對于超聲波測距精度要求達到1mm時，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進去。例如當溫度0時超聲波速度是332m/s, 30時是350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30的環(huán)境下以0的聲速測

16、量100m距離所引起的測量誤差將達到5m，測量1m誤差將達到5mm82.3超聲波測液位超聲波液位測量主要是以超聲波測距為原理，加上合理的設計，得到液位測距儀，最簡單的是測量水位。如圖3.2所示，在離水塔底部高H處，安裝設計好的超聲波液位計。液位計向水面垂直發(fā)出超聲波，當超聲波遇到水面經液面向上反射到液位計，液位計接收到反射回的超聲波時，由單片機CFU算出超聲波往返一次所用的時間，即可算出液位計到水面的距離L，液位高度可由公式：h=H-Vt/2算出。其中，V為超聲波在空氣中的傳播速度，t為超聲波由液位計到水面往返一次的時間。圖3.2利用超聲波發(fā)生器，實現一定頻率的振蕩是很容易的，并且方法有多種，

17、取液位計與水面的距離為適當的高度，可令超聲波發(fā)出去后能有效的返回，讓接收器收到信號，送到微處理器，經微處理器處理所得的數據，即可算出水位高度。超聲波在空氣中一般可以實現有效傳播，只要外部的環(huán)境不是特別的惡劣，所受到的干擾并不是很大，測量結果不會有太大的誤差。3超聲波測量流量超聲波流量計是近十幾年來隨著集成電路技術迅速發(fā)展才開始應用的一種非接觸式儀表，適于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量。它與水位計聯動可進行敞開水流的流量測量。使用超聲波流量比不用在流體中安裝測量元件故不會改變流體的流動狀態(tài)，不產生附加阻力，儀表的安裝及檢修均可不影響生產管線運行因而是一種理想的節(jié)能型流量計。眾所周知，目前

18、的工業(yè)流量測量普遍存在著大管徑、大流量測量困難的問題，這是因為一般流量計隨著測量管徑的增大會帶來制造和運輸上的困難，造價提高、能損加大、安裝不便這些缺點，但超聲波流量計均可避免。因為各類超聲波流量計均可管外安裝、非接觸測流，儀表造價基本上與被測管道口徑大小無關，而其它類型的流量計隨著口徑增加，造價大幅度增加，故口徑越大超聲波流量計比相同功能其它類型流量計的功能價格比越優(yōu)越【9】。被認為是較好的大管徑流量測量儀表，多普勒法超聲波流量計可測雙相介質的流量，故可用于下水道及排污水等臟污流的測量。在發(fā)電廠中，用便攜式超聲波流量計測量水輪機進水量、汽輪機循環(huán)水量等大管徑流量，比過去的皮脫管流速計方便得多

19、。超聲被流量汁也可用于氣體測量。管徑的適用范圍從2cm到5m，從幾米寬的明渠、暗渠到500m寬的河流都可適用1。另外，超聲測量儀表的流量測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數的影響，又可制成非接觸及便攜式測量儀表，故可解決其它類型儀表所難以測量的強腐蝕性、非導電性、放射性及易燃易爆介質的流量測量問題。另外，鑒于非接觸測量特點，再配以合理的電子線路，一臺儀表可適應多種管徑測量和多種流量范圍測量。超聲波流量計的適應能力也是其它儀表不可比擬的。超聲波流量計具有上述一些優(yōu)點因此它越來越受到重視并且向產品系列化、通用化發(fā)展，現已制成不同聲道的標準型、高溫型、防爆型、濕式型儀表以適應不同介

20、質，不同場合和不同管道條件的流量測量。超聲波流量計目前所存在的缺點主要是可測流體的溫度范圍受超聲波換能器及換能器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，以及高溫下被測流體傳聲速度的原始數據不全。目前我國只能用于測量200以下的流體。另外，超聲波流量計的測量線路比一般流量計復雜。這是因為，一般工業(yè)計量中液體的流速常常是每秒幾米，而聲波在液體中的傳播速度約為1500ms左右，被測流體流速(流量)變化帶給聲速的變化量最大也是103數量級若要測量流速的準確度為1，則對聲速的測量準確度需為10-510-6數量級14超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統三部分組成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉換

21、為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測流體中，接收器接收到的超聲波信號，經電子線路放大并轉換為代表流量的電信號供給顯示和計算儀表進行顯示和計算。這樣就實現了流量的檢測和顯示。超聲波流量計常用壓電換能器5。它利用壓電材料的壓電效應，采用適出的發(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的壓電元件上，使其產生超聲波振勸。超聲波以某一角度射入流體中傳播，然后由接收換能器接收，并經壓電元件變?yōu)殡娔?，以便檢測。超聲波流量計換能器的壓電元件常做成圓形薄片，沿厚度振動。薄片直徑超過厚度的10倍，以保證振動的方向性。壓電元件材料多采用鋯鈦酸鉛。為固定壓電元件，使超聲波以合適的角度射入到流體中，需把元件放入聲楔中，構成換能器整體(又稱

22、探頭)。聲楔的材料不僅要求強度高、耐老化，而且要求超聲波經聲楔后能量損失小即透射系數接近1。常用的聲楔材料是有機玻璃，因為它透明，可以觀察到聲楔中壓電元件的組裝情況。另外，某些橡膠、塑料及膠木也可作聲楔材料5。超聲波流量計的電子線路包括發(fā)射、接收、信號處理和顯示電路。測得的瞬時流量和累積流量值用數字量或模擬量顯示。根據對信號檢測的原理，目前超聲波流量計大致可分傳播速度差法(包括：直接時差法、時差法、相位差法、頻差法)波束偏移法、多普勒法、相關法、空間濾波法及噪聲法等類型1。其中以噪聲法原理及結構最簡單，便于測量和攜帶，價格便宜但準確度較低，適于在流量測量準確度要求不高的場合使用。由于直接時差法

23、、時差法、頻差法和相位差法的基本原理都是通過測量超聲波脈沖順流和逆流傳播時速度之差來反映流體的流速的，故又統稱為傳播速度差法。其中頻差法和時差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來的誤差，準確度較高，所以被廣泛采用。按照換能器的配置方法不同，傳播速度差法又分為：Z法(透過法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。波束偏移法是利用超聲波束在流體中的傳播方向隨流體流速變化而產生偏移來反映流體流速的，低流速時，靈敏度很低適用性不大多普勒法是利用聲學多普勒原理，通過測量不均勻流體中散射體散射的超聲波多普勒頻移來確定流體流量的，適用于含懸浮顆粒、氣泡等流體流量測量。相關法是利用相關技術測量流量，原理上，此法的測量

24、準確度與流體中的聲速無關，因而與流體溫度，濃度等無關，因而測量準確度高，適用范圍廣。但相關器件價格貴，線路比較復雜。在微處理機普及應用后，這個缺點可以克服。噪聲法(聽音法)是利用管道內流體流動時產生的噪聲與流體的流速有關的原理，通過檢測噪聲表示流速或流量值。其方法簡單，設備價格便宜，但準確度低。以上幾種方法各有特點，應根據被測流體性質流速分布情況、管路安裝地點以及對測量準確度的要求等因素進行選擇。一般說來由于工業(yè)生產中工質的溫度常不能保持恒定，故多采用頻差法及時差法。只有在管徑很大時才采用直接時差法。對換能器安裝方法的選擇原則一般是：當流體沿管軸平行流動時，選用Z法；當流動方向與管鈾不平行或管

25、路安裝地點使換能器安裝間隔受到限制時，采用V法或X法。當流量分布不均勻而表前直管段又較短時，也可采用多聲道(例如雙聲道或四聲道)來克服流速擾動帶來的流量測量誤差。多普勒法適于測量兩相流，可避免常規(guī)儀表由懸浮?；驓馀菰斐傻亩氯⒛p、附著而不能運行的弊病，因而得以迅速發(fā)展。隨著工業(yè)的發(fā)展及節(jié)能工作的開展，煤油混合(COM)、煤水混合(CWM)燃料的輸送和應用以及燃料油加水助燃等節(jié)能方法的發(fā)展，都為多普勒超聲波流量計應用開辟廣闊前景。4超聲波提取技術超聲波在傳遞過程中存在著的正負壓強交變周期，在正相位時，對介質分子產生擠壓，增加介質原來的密度；負相位時，介質分子稀疏、離散，介質密度減小。也就是說，

26、超聲波并不能使樣品內的分子產生極化，而是在溶劑和樣品之間產生聲波空化作用，導致溶液內氣泡的形成、增長和爆破壓縮，從而使固體樣品分散，增大樣品與萃取溶劑之間的接觸面積，提高目標物從固相轉移到液相的傳質速率10。 超聲波萃取的原理：超聲波萃取的優(yōu)越性，是基于超聲波的特殊物理性質。主要是主要通過壓電換能器產生的快速機械振動波來減少目標萃取物與樣品基體之間的作用力從而實現固-液萃取分離。具體過程為：（1）加速介質質點運動。高于20 KHz聲波頻率的超聲波的連續(xù)介質（例如水）中傳播時，根據惠更斯波動原理，在其傳播的波陣面上將引起介質質點的運動，使介質質點運動獲行巨大的加速度和動能。質點的加速度經計算一般

27、可達重力加速度的二千倍以上。由于介質質點將超聲波能量作用于樣品基體質點上而使之獲得巨大的加速度和動能，使質點迅速逸出而游離于水中。（2）空化作用。超聲波在液體介質中傳播產生特殊的“空化效應”，“空化效應”不斷產生無數內部壓力達到上千個大氣壓的微氣穴并不斷“爆破”產生微觀上的強大沖擊波作用在樣品基體上，使目標物質被“轟擊”逸出，并使得樣品基體被不斷剝蝕，其中不屬于剛性結構的成分不斷被分離出來。加速物質中有效成份的浸出提取。（3）超聲波的振動勻化使樣品介質內各點受到的作用一致，使整個樣品萃取更均勻。 綜上所述，在超聲波場作用下不但作為介質質點獲得自身的巨大加速度和動能，而且通過“空化效應”獲得強大

28、的外力沖擊，所以能高效率并充分分離出來。 超聲波適用于中藥材有效成份的萃取，是中藥制藥徹底改變傳統的水煮醇沉萃取方法的新方法、新工藝。與水煮、醇沉工藝相比，超聲波萃取具有如下突出特點18：（1）無需高溫。在4050水溫F超聲波強化萃取，無水煮高溫，不破壞中藥材中某些具有熱不穩(wěn)定，易水解或氧化特性的藥效成份。超聲波能促使植物細胞地破壁，提高中藥的療效。（2）常壓萃取，安全性好，操作簡單易行，維護保養(yǎng)方便。（3）萃取效率高。超聲波強化萃取2040分鐘即可獲最佳提取率，萃取時間僅為水煮、醇沉法的三分之一或更少。萃取充分，萃取量是傳統方法的二倍以上。據統計，超聲波在6570oC工作效率非常高。而溫度在

29、65oC度內中草藥植物的有效成份基本沒有受到破壞。加入超聲波后（在65度條件下），植物有效成份提取時間約40分鐘。而蒸煮法的蒸煮時 間往往需要兩到三小時，是超聲波提取時間的3倍以上時間。每罐提取3次，基本上可提取有效成份的90%以上。（4）具有廣譜性。適用性廣，絕大多數的中藥材各類成份均可超聲萃取。（5）超聲波萃取對溶劑和目標萃取物的性質（如極性）關系不大。因此，可供選擇的萃取溶劑種類多、目標萃取物范圍廣泛。（6）減少能耗。由于超聲萃取無需加熱或加熱溫度低，萃取時間短，因此大大降低能耗。（7）藥材原料處理量大，成倍或數倍提高，且雜質少，有效成分易于分離、凈化。（8）萃取工藝成本低，綜合經濟效益

30、顯著。5超聲清洗超聲波在液體中傳播能夠形成空化作用，用來清洗物件特別實用。5.1超聲清洗的原理超聲波清洗主要是利用超聲波在液體中的空化作用。超聲波在液體傳播過程中,當其聲波壓強達到一個大氣壓時,超聲波的功率密度約為0.35W/cm2,這時在液體中傳播的超聲波的聲波壓強峰值在液體中會產生一個很大的力,將液體拉裂成空洞(空化核),此空洞為真空或非常接近真空。在信號電壓值(或超聲波壓強)下一個半周達到最大時,由于周圍的壓力的增大而被壓碎,這些無數細小而密集的氣泡破裂時產生沖擊波的現象被稱之為“空化”作用,空化泡崩潰時,在極短的時間和極小的空間內,形成局部熱點,可產生高達5000 K的高溫和108Pa

31、的高壓,溫度變化率高達109K/s,并伴隨有強烈的沖擊波和時速達400km的射流12。在此作用下,液體分子激烈碰撞產生非常強大的沖擊力,將被清洗物體表面的污物撞擊下來?？栈饔靡苍诠腆w與液體的交界處產生一種剪切力,也使污垢脫落,因而兩種力的作用下,對于浸入超聲波作用下的液體中的物體外表面具有超乎尋常的清洗作用。另外,由于超聲波具有很強的穿透固體的作用,所以這種“空化”作用對浸入超聲波作用下的液體中物體(如管件)內表面也能得到一定程度的清洗,這是超聲波清洗優(yōu)于其它清洗手段的重要方面。5.2影響清洗的因素1.超聲波頻率：超聲波頻率越低，在液體中產生空化越容易，作用也越強。頻率高則超聲波方向性強，適

32、合于精細物體的清洗。根據頻率不同，聲強一般選在12w/cm2左右。2.功率密度：超聲波的功率密度越高，空化效果越強，速度越快，清洗效果越好。但對于精密的、表面光潔度甚高的工件，采用長時間的高功率密度清洗會對物體表面產生“空化”腐蝕。 3.清洗介質：采用超聲波清洗，一般有兩種清洗劑：化學溶劑和水基清洗劑。清洗介質的化學作用，加上超聲波清洗的物理作用，兩種作用相結合，以對物體進行充分，徹底的清洗。4.清洗溫度：一般來說，超聲波在3040時空化效果最好。清洗劑是溫度越高，作用越顯著。但隨著液溫的上升，液體中生存的氣泡會遮斷聲波，使超聲波減弱。通常實際應用超聲波清洗時，采用405.工作放置方式：因為將

33、清洗物置于駐波壓力最大的位置，可獲得最佳的清洗效果，所以工件在清洗槽內上下、左右緩慢的擺動，則清洗越均勻、徹底，清洗效果越好。6超聲波在軍事中的應用超聲波在軍事中的應用主要運用超聲波方向性好的特性。由于超聲波基本上是沿直線傳播的，可以定向發(fā)射，如果漁船載有水下超聲波發(fā)生器，它旋轉著向各個方向發(fā)射超聲波，當超聲波遇到魚群時會反射回來，漁船探測到反射波就知道魚群的位置了，這種儀器叫聲納13。它也可以用來探測水中的暗礁和敵人的潛艇以及測量海水的深度。在現代高科技中，雖然雷達的應用很廣，但在水中依然采用聲納技術，這主要是因為海水有良好的導電性，對電磁波的吸收能力很強，雷達無法探測水下作戰(zhàn)目標的方位和距

34、離，超聲波在空氣中衰減較快，而在固體、液體中的衰減卻很小，這正好與電磁波相反，在這種情況下，聲納技術可以發(fā)揮巨大的威力。由于海水吸熱能力太強，使紅外線技術無用武之地；又由于水的透光能力差，吸收光能力很強，故光學設備如望遠鏡也使用不上。因此，聲納技術在特殊領域中占有不可取代的地位。7超聲波技術在納米材料制備中的應用納米材料是納米科學中的一個重要研究發(fā)展方向，在越來越多的領域中受到重視，成為材料科學研究的熱點。近年來，聲空化作用引起的特殊物理和化學環(huán)境為科學家制備納米材料提供了新的途徑，聲空化方法正成為制備具有特殊性能材料的一種新技術，這其中包括超聲化學法、超聲霧化法等。這些方法的出現，擴展了納米

35、材料的制備技術，為納米科學技術注入了新的活力。著名聲化學家Suslick的研究小組【14】在納米結構材料的制備和合成方面做了大量的工作，如在0時用超聲輻照Fe(CO)3的癸烷溶液時可產生暗黑色的鐵粉末。經元素分析知,粉末中鐵的質量分數為96%以上；掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)的結果證實，這種材料是由粒徑4nm6nm的粒子組成的聚集體；磁性研究表明，這是一種非常軟的鐵磁性材料，居里溫度高達580K。王建等人以無水四氯化錫為原料，在超聲波的作用下，用溶膠 凝膠法制得納米SnO2，并運用TEM和XRD對其結構進行了表征。在適當的條件下制得的納米SnO2粉末平均粒徑為20nm，顆粒為球形，粒

36、徑均勻，流動性能好，產品結構為四方晶系錫石結構，純度95%以上，超聲波在控制粒徑大小和防止團聚方面起到了很好的作用。林金谷等以溶于十氫萘的碳基鐵Fe(CO)5和六碳基鉻Cr(CO)6溶液注入一套專門設計的超聲微粒制備裝置，在超聲功率120W、頻率20kHz下分解3.5h，得到粒徑17nm28nm的Fe Cr合金納米粉末。王菊香等開發(fā)出制備納米粉末的超聲電解法，通過控制溶液濃度、超聲功率、電解條件和電流密度等得到10nm以下的銅和鎳粉。該方法具有工藝簡單、成本低和無毒、無污染等特點，是制備超細金屬粉末的一種新方法。陳雪梅等首次將超聲波法運用于沉淀法制備納米Al2O3粉體，利用超聲輻射工藝制得粒徑為12nm的Al2O3粉體。結果表明，超聲輻射通過對液體介質的空化作用而有效地細化了前驅體NH4Al(OH)2CO3沉淀顆粒,抑制了前驅體顆粒的聚焦，超聲輻射延緩了前驅體向凝膠轉化過程，得到含較小包裹水和結合水的三維疏松網絡狀骨架結構的凝膠。8超聲波在醫(yī)療方面的應用醫(yī)學上最早