超聲波的應(yīng)用及危害論文

超聲的應(yīng)用及危害超聲波的基本原理超聲波的基本原理是其應(yīng)用的基礎(chǔ)，只有在了解其原理的基礎(chǔ)上才能更好的應(yīng)用超聲波，促進超聲波的發(fā)展，下面就對其原理作簡要介紹。超聲波的簡介科學(xué)家們將每秒鐘振振動的次數(shù)稱為聲音的頻振動，它的單位是赫茲。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為20?20000赫茲。當(dāng)聲波的振動頻率大于20000赫茲或小于20赫茲時，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。通常用于醫(yī)學(xué)診斷的超聲波頻率為 1?5兆赫茲。超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點都是一種機械振動模式，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點是超聲波頻率高，波長短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超聲現(xiàn)象所用的頻率范圍在 2-5兆Hz之間，常用為3s3.5兆Hz（每秒振動1次為1Hz，1兆Hz=10"6Hz,即每秒振動100萬次，可聞波的頻率在16-20,000HZ之間）。超聲波是聲波大家族中的一員?？偟膩碚f與可聞波相比,超聲波由于頻率高、波長短，在傳播過程中具有許多其特有的性質(zhì)：方向性好、能量大、穿透能力強、引起空化作用，也正是些特點，使得超聲波在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事等眾多方面都有著及其廣泛的應(yīng)用。超聲的利用清洗的超聲波應(yīng)用原理是由超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻振蕩信號， 通過換能器轉(zhuǎn)換成高頻機械振蕩而傳播到介質(zhì)，清洗溶劑中超聲波在清洗液中疏密相間的向前輻射，使液體流動而產(chǎn)生數(shù)以萬計的微小氣泡，存在于液體中的微小氣泡（空化核）在聲場的作用下振動，當(dāng)聲壓達到一定值時，氣泡迅速增長，然后突然閉合，在氣泡閉合時產(chǎn)生沖擊波，在其周圍產(chǎn)生上千個大氣壓力，破壞不溶性污物而使它們分散于清洗液中，當(dāng)團體粒子被油污裹著而粘附在清洗件表面時，油被乳化，固體粒子即脫離，從而達到清洗件表面凈化的目的。醫(yī)生所用的超聲波掃描術(shù)可說是超聲波最重要的應(yīng)用。醫(yī)學(xué)超聲波檢查的工作原理與聲納有一定的相似性，即將超聲波發(fā)射到人體內(nèi)，當(dāng)它在體內(nèi)遇到界面時會發(fā)生反射及折射，并且在人體組織中可能被吸收而衰減。因為人體各種組織的形態(tài)與結(jié)構(gòu)是不相同的，因此其反射與折射以及吸收超聲波的程度也就不同，醫(yī)生們正是通過儀器所反映出的波型、曲線，或影象的特征來辨別它們。此外再結(jié)合解剖學(xué)知識、正常與病理的改變，便可診斷所檢查的器官是否有病。超聲波掃描可以幫助醫(yī)生測量胎兒的大小以確定產(chǎn)期，檢查胎兒的性別、生長速度、頭的位置是否正常向下、胎盤的位置是否正常、羊水是否足夠，與及監(jiān)察抽羊水的過程，以保障胎兒的安全等。此外，超聲波掃描術(shù)也用于婦科檢查，它可以幫助醫(yī)生有效地把生長在乳房或卵巢中的惡性組織分辨出來。超聲波的波長比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過不透明物質(zhì)，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測厚、測距、遙控和超聲成像技術(shù)。超聲成像是利用超聲波呈現(xiàn)不透明物內(nèi)部形象的技術(shù) 。把從換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)聲透鏡聚焦在不透明試樣上，從試樣透出的超聲波攜帶了被照部位的信息（如對聲波的反射、吸收和散射的能力），經(jīng)聲透鏡匯聚在壓電接收器上，所得電信號輸入放大器，利用掃描系統(tǒng)可把不透明試樣的形象顯示在熒光屏上。上述裝置稱為超聲顯微鏡。超聲成像技術(shù)已在醫(yī)療檢查方面獲得普遍應(yīng)用，在微電子器件制造業(yè)中用來對大規(guī)模集成電路進行檢查，在材料科學(xué)中用來顯示合金中不同組分的區(qū)域和晶粒間界等。聲全息術(shù)是利用超聲波的干涉原理記錄和重現(xiàn)不透明物的立體圖像的聲成像技術(shù)，其原理與光波的全息術(shù)基本相同，只是記錄手段不同而已（見全息術(shù)）。用同一超聲信號源激勵兩個放置在液體中的換能器，它們分別發(fā)射兩束相干的超聲波：一束透過被研究的物體后成為物波，另一束作為參考波。物波和參考波在液面上相干疊加形成聲全息圖，用激光束照射聲全息圖，利用激光在聲全息圖上反射時產(chǎn)生的衍射效應(yīng)而獲得物的重現(xiàn)像，通常用攝像機和電視機作實時觀察。由超聲波原理制作的各種儀器超聲波定位，超聲波加濕器，超聲波洗衣機，高速測定儀，超聲波探測固體內(nèi)部故障，B超，雷達探測，清洗精細物品，擊碎人體膽結(jié)石，電阻焊的焊點強度的檢測，超聲波提取生物納米，超聲波制藥，超聲波乳化，航海聲納，建筑物探測。超生的危害超聲波在生物體內(nèi)傳播時，通過組織間的相互作用，導(dǎo)致生物體機能和結(jié)構(gòu)變化，稱為超聲波的生物效應(yīng)，產(chǎn)生生物效應(yīng)的機制是熱效應(yīng)和空化效應(yīng)。所謂的熱效應(yīng)是指超聲波傳播過程中，部分能量被生物組織吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使組織溫度增高；空化效應(yīng)是指超聲波傳播過程中與組織中的氣核或微氣泡相互作用，使其突然爆破，產(chǎn)生巨大的瞬間壓力，使組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變低劑量超聲是潛在的致癌與致畸形因素，而且不同頻率、不同聲強對不同個體有一定危害。因為超聲波對固體和液體都有很強的穿透本領(lǐng)，能量較大時可以使物質(zhì)微粒作高頻振動，部分能量還可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使局部溫度升高。高強度的脈沖超聲波在含有微米級小氣泡的液體中傳播時，可導(dǎo)致氣泡收縮、膨脹以至猛烈爆炸，這種現(xiàn)象稱為“空化現(xiàn)象”。不久前美國著名超生物物理專家卡斯坦森指出，某些臨床使用的超聲圖像診斷儀的最大輸出強度已達1千瓦/平方厘米，這個強度足以使生物體產(chǎn)生瞬態(tài)空化現(xiàn)象。對生物體來說，瞬態(tài)空化作用時，靠近爆炸氣泡附近的細胞會受到損傷，一般說來，在人體內(nèi)大多數(shù)器官和生物流體中，損傷少量細胞不會對人體產(chǎn)生危害。國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r和需改進的地方一般認(rèn)為，關(guān)于超聲波的研究最初起始于1876年F.Galton的氣哨實驗。這些年來，隨著超聲波技術(shù)研究的不斷深入，在加上其具有的高精度、無損、非接觸等優(yōu)點，超聲波的應(yīng)用變得越來越普及。目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在機械制造、電子冶金、航海、宇航、石油化工、交通等工業(yè)領(lǐng)域。此外在材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占據(jù)重要地位。國外在提高超聲波測距方面做了大量的研究，國內(nèi)一些學(xué)者也作了相關(guān)的研究。對超聲波測距的精度主要取決于所測的超聲波傳輸時間和超聲波在介質(zhì)中的傳輸速度，二者中以傳輸時間的精度影響較大，所以大部分文獻采用降低傳輸時間的不確定度來提高測距精度。目前相位探測法和聲譜輪廓分析法或二者結(jié)合起來的方法是主要的降低探測傳輸不確定度的方法?！冻暡y距精度的探討》⑴一文中提到測量回波用到門限值的方法來測量回波的真實時間。選取一定的門限值，接收回波的包絡(luò)線大于門限值時確定為回波到達的時間?；夭ǖ牡谝粋€周期的峰值作為測量標(biāo)準(zhǔn)，以該值的75%作為門限值，測出時間，由此計算出超聲波真實的到達時間。此方法對第3個波近似計算為波峰的75%，所以對精度要求較高的測量并不足夠?！冻暡y距誤差分析》⑵認(rèn)為收發(fā)換能器分離比一體化更減少盲區(qū)距離。提出減小盲區(qū)的改善措施可以減少發(fā)射波串的長度，發(fā)射波頻率增高，波長減小，可以減少繞射，還可以用喇叭口形的聚波器束窄方向瓣。這些措施也有一定限度，例如：發(fā)射波串的長度過短將使得發(fā)射換能器激振達不到最大值或不能被激振。發(fā)射波頻率加高受到換能器特性限制，同時，發(fā)射波頻率加高使超聲波在媒介中的衰減大幅度加劇，使作用距離下降?！陡呔鹊某暡y距系統(tǒng)在移動機器人導(dǎo)航方面的應(yīng)用》⑶提出一種比較有效的測量回波方法。它對回波包絡(luò)線進行峰值檢測作為回波時間點。傳統(tǒng)的測量方法，以接收信號的幅值超過系統(tǒng)所規(guī)定的閾值時的時刻作為停止計時信號。時間檢出點是隨距離變化而變化的，這種“時間檢出點”的變化就產(chǎn)生了距離測量的誤差。針對回波信號的特點，采用峰值時間點檢出方法，首先回波將經(jīng)過放大、濾波后的回波信號進行線性包絡(luò)檢波，然后對檢波的輸出信號進行微分處理，最后對微分電路的輸出進行零點交叉檢測，即可得到回波信號的峰值時間，此時無論被測距離遠近，即在回波信號包絡(luò)線的峰值點?！兑环N高精度超聲波測距處理方法》⑷提出一種基于歸一化包絡(luò)曲線方程的抗起伏信號處理方法。處理步驟為：用一定的檢測方法計算出方程中的起伏參數(shù)：根據(jù)包絡(luò)方程推算出回波的理想前沿；得到準(zhǔn)確的聲波傳輸時間；乘聲速除2即得距離。這種方法從軟件算法上計算回波時間點，過程過于復(fù)雜，有效性不清楚。不如《高精度的超聲波測距系統(tǒng)在移動機器人導(dǎo)航方面的應(yīng)用》的方法簡潔。且對于本系統(tǒng)指令響應(yīng)要求高，單片機存儲空間有限，較復(fù)雜的算法并不適用于本系統(tǒng)?！队糜谖⒌匦翁綔y的超聲波測距系統(tǒng)》⑸通過軟件編程和硬件方法，在繞射波有效階段封閉CPU中斷申請，躲避有效干擾。此方法能解決超聲波繞射問題，但是會增加盲區(qū)范圍。此文論述到處理這種串繞信號一般有兩種方法：（1）通過軟件編程從開始發(fā)射到虛假反射波結(jié)束時清零，從而使其不會向CPU發(fā)出中斷申請，即可有效躲避干擾。（2）采用74LS74A構(gòu)成雙。觸發(fā)器，使比較后的信號僅在超聲波反射時間內(nèi)輸出為高電平，在從發(fā)射到接收到虛假反射波這段時間內(nèi)置0，從而在接收到串繞信號時也不會發(fā)出中斷請求。通過這兩種方法都能夠有效地躲過串繞信號，但同時也會形成盲區(qū)，系統(tǒng)的盲區(qū)約為lOOmm左右。對于本系統(tǒng)并不適用?！蹲詣釉鲆骐娐吩诔暡y距系統(tǒng)中的應(yīng)用研究》［6提出自動增益補償電路使誤差控制在0.2mm至0.5mm之間，并減少測距盲區(qū)，盲區(qū)范喇為6-7cm。此方法對提高精度和減少盲區(qū)都較有效。在軟件編寫的動態(tài)改變發(fā)射功率時可以作參考。簡而言之，綜述研究現(xiàn)狀，雖然某些研究方法仍存在不足和困難的地方，但也可看到一些優(yōu)秀的測量方法，應(yīng)取其精華，去其糟粕。但總的來說，論文中系統(tǒng)的盲區(qū)范圍較大，一般有l(wèi)Ocm左右距離，個別較好的有4-6cm距離。根據(jù)超聲波測距的原理，設(shè)計了以51單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距系統(tǒng)