超聲波技術(shù)和應(yīng)用課件

目錄超聲波簡(jiǎn)介超聲波的應(yīng)用自然界中的超聲波超聲波的類型縱波橫波表面波板波表面波表面波主要是指沿介質(zhì)表面?zhèn)鬟f，而介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)沿橢圓形軌跡振動(dòng)的波。表面波是一種瑞利波。板波在板厚與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)谋“逯袀鞑サ牟ā８鶕?jù)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向不同可將板波分為SH波和蘭姆波。SH波：水平偏振的橫波在薄板中傳播的波。薄板中各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向平行于板面而垂直于波的傳播方向，相當(dāng)于固體介質(zhì)表面中的橫波。蘭姆波：蘭姆波又分為對(duì)稱型和非對(duì)稱型。對(duì)稱型蘭姆波的特點(diǎn)是薄板中心質(zhì)點(diǎn)作縱向振動(dòng)，上下表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)相位相反并對(duì)稱于中心。非對(duì)稱型蘭姆波特點(diǎn)是薄板中心質(zhì)點(diǎn)作橫向振動(dòng)，上下表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)、相位相同。超聲波的特點(diǎn)（1）超聲波可以在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播超聲波可以攜帶較多的能量超聲波的傳播具有方向性超聲波在界面上會(huì)產(chǎn)生折射和反射，而且可能會(huì)改變振動(dòng)模式。超聲波在液體中可以產(chǎn)生空化效應(yīng)超聲波具有多普勒效應(yīng)超聲波的特點(diǎn)（2）容易衰減（在液體和固體中衰減較小）傳播速度受溫度影響在兩種不同介質(zhì)的界面處反射強(qiáng)烈，在許多場(chǎng)合必須使用耦合劑或匹配材料。超聲波可以聚焦。超聲波的產(chǎn)生機(jī)制電磁振動(dòng)磁致伸縮效應(yīng)壓電效應(yīng)靜電引力其它形式的機(jī)械振動(dòng)超聲波效應(yīng)機(jī)械效效應(yīng)：清洗、加工、拋光聲學(xué)效應(yīng)：超聲波探測(cè)熱效應(yīng)：超聲波焊接空化效應(yīng)：乳化、霧化化學(xué)效應(yīng)：例如純的蒸餾水經(jīng)超聲處理后產(chǎn)生過(guò)氧化氫；溶有氮?dú)獾乃?jīng)超聲處理后產(chǎn)生亞硝酸；染料的水溶液經(jīng)超聲處理后會(huì)變色或退色。生物效應(yīng)：加快植物種子發(fā)芽超聲波的基本作用原理超聲波和聲波一樣，是物質(zhì)介質(zhì)中的一種彈性機(jī)械波，只是頻率不同。人們所能聽(tīng)到的頻率上限為10～18kHz。物理學(xué)中規(guī)定，高于20kHz的是超聲波，上限可高至與電磁波的微波區(qū)(>10GHz)重疊。但一般認(rèn)為，對(duì)氣體是50MHz，對(duì)液體固體是500MHz。超聲波的產(chǎn)生原理是產(chǎn)生所需頻率的電振蕩，再轉(zhuǎn)換成機(jī)械振蕩。超聲波熱學(xué)機(jī)理和其他形式的能一樣，超聲能也會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能。生成熱能的多少取決于介質(zhì)對(duì)超聲波的吸收所吸收能量大部分或全部將轉(zhuǎn)化為熱能，從而導(dǎo)致組織溫度升高。這種吸收聲能而引起溫度升高是穩(wěn)定的，所以超聲波可以在瞬間使內(nèi)部溫度升高，加速有效成分的溶解。超聲波機(jī)械機(jī)制超聲波的機(jī)械作用主要是輻射壓強(qiáng)和超聲壓強(qiáng)引起的。輻射壓強(qiáng)可能引起兩種效應(yīng)：其一是簡(jiǎn)單的騷動(dòng)效應(yīng)；其二是在溶劑和懸浮體之間出現(xiàn)摩擦。這種騷動(dòng)可使蛋白質(zhì)變性，細(xì)胞組織變形。而輻射壓將給予溶劑和懸浮體以不用的加速度，即溶劑分子的速度遠(yuǎn)大于懸浮體的速度，從而在它們之間產(chǎn)生摩擦，這力量足以斷開(kāi)兩碳原子之鍵，使生物分子解聚。超聲波空化作用由于大能量的超聲波作用在液體里，當(dāng)液體處于稀疏狀態(tài)下時(shí)，液體會(huì)被撕裂成很多小的空穴，這些空穴一瞬間閉合，閉合時(shí)產(chǎn)生瞬間高壓，即稱為空化效應(yīng)。這種空化效應(yīng)可細(xì)化各種物質(zhì)以及制造乳濁液，加速待測(cè)物中的有效成分進(jìn)入溶劑，進(jìn)一步提取可以增加有效成分提取率。超聲波反射折射原理當(dāng)超聲波在密度均勻的介質(zhì)中傳播時(shí)，不會(huì)發(fā)生折射、反射等現(xiàn)象。當(dāng)其通過(guò)不同的介質(zhì)時(shí)，且兩介質(zhì)的交界面大于超聲波的波長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)在兩介質(zhì)的交界面處發(fā)生折射和反射現(xiàn)象。反射聲強(qiáng)的大小取決于兩介質(zhì)聲阻的差異程度及入射角的大小，當(dāng)垂直人射時(shí)反射聲強(qiáng)超聲波的應(yīng)用測(cè)量：距離、流速、流量、厚度探測(cè)：超聲測(cè)距、安防探測(cè)、醫(yī)學(xué)成像、無(wú)損探測(cè)、水下聲納、地質(zhì)勘探、管道檢漏、觸摸屏霧化：加濕、盆景、園藝、消毒、空化：煉油、乳化清洗：珠寶、首飾、精密零件加工：磨削、鉆孔、拋光、焊接美容：按摩、潔齒醫(yī)療：結(jié)石破碎、醫(yī)學(xué)成像、呼吸醫(yī)療馬達(dá)：相機(jī)鏡頭、微位移控制生物：促進(jìn)種子發(fā)芽化學(xué)：加快酒類醇化、加快化學(xué)反應(yīng)速度超聲波在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用紙漿預(yù)處理

利用超聲技術(shù)處理紙漿，使之產(chǎn)生機(jī)械的打漿效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，用超聲波處理木漿，具有與機(jī)械打漿、精漿相似的效果，可對(duì)纖維細(xì)胞壁產(chǎn)生位移、變形以及細(xì)纖維化等作用。這主要是由于超聲波空化產(chǎn)生的微射流對(duì)纖維的沖擊、剪切作用，使纖維細(xì)胞壁出現(xiàn)裂紋、發(fā)生位移和變形，初生壁和次生壁外層破裂脫除，次生壁中層暴露出來(lái)；或使纖維產(chǎn)生縱向分裂，發(fā)生細(xì)纖維化。超聲波處理不僅對(duì)纖維有機(jī)械打漿效應(yīng)，而且經(jīng)超聲波處理后，纖維的保水值增大，纖維的可及度和反應(yīng)性能顯著提高。對(duì)于含有較多果膠質(zhì)的纖維，利用超聲波進(jìn)行預(yù)處理可以達(dá)到很好的脫膠效果。對(duì)于合成纖維的表面改性超聲波更是起到了很好的作用，可以活化纖維表面，使纖維表面含氧官能團(tuán)增加，引起纖維表面張力中極性分子增加。研究還發(fā)現(xiàn)，超聲對(duì)纖維。打漿纖維素纖維受超聲波處理后解聚，由于高分子化合物與液體之間超聲速度差產(chǎn)生摩擦力，使纖維結(jié)構(gòu)破壞。使用超聲波處理各種紙漿，使纖維達(dá)到潤(rùn)脹，外層剝離，細(xì)纖維化，從而增加成紙強(qiáng)度超聲波振動(dòng)篩打漿機(jī)超聲波在醫(yī)學(xué)診斷中的應(yīng)用左上為A型，右上為B型，左下為M型，右下為D型根據(jù)不同的成像原理，超聲波診斷方法可以分為A型、B型、M型及D型四大類A型：是以波形來(lái)顯示組織特征的方法，主要用于測(cè)量器官的徑線，以判定其大小?？捎脕?lái)鑒別病變組織的一些物理特性，如實(shí)質(zhì)性、液體或是氣體是否存在等。B型：用平面圖形的形式來(lái)顯示被探查組織的具體情況。檢查時(shí)，首先將人體界面的反射信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)弱不同的光點(diǎn)，這些光點(diǎn)可通過(guò)熒光屏顯現(xiàn)出來(lái)，這種方法直觀性好，重復(fù)性強(qiáng)，可供前后對(duì)比，所以廣泛用于婦產(chǎn)科、泌尿、消化及心血管等系統(tǒng)疾病的診斷。M型：是用于觀察活動(dòng)界面時(shí)間變化的一種方法。最適用于檢查心臟的活動(dòng)情況，其曲線的動(dòng)態(tài)改變稱為超聲心動(dòng)圖，可以用來(lái)觀察心臟各層結(jié)構(gòu)的位置、活動(dòng)狀態(tài)、結(jié)構(gòu)的狀況等，多用于輔助心臟及大血管疫病的診斷。D型：是專門(mén)用來(lái)檢測(cè)血液流動(dòng)和器官活動(dòng)的一種超聲診斷方法，又稱為多普勒超聲診斷法?？纱_定血管是否通暢、官腔是否狹窄、閉塞以及病變部位。新一代的D型超聲波還能定量地測(cè)定官腔內(nèi)血液的流量。近幾年來(lái)科學(xué)家又發(fā)展了彩色編碼多普勒系統(tǒng)，可在超聲心動(dòng)圖解剖標(biāo)志的指示下，以不同顏色顯示血流的方向，色澤的深淺代表血流的流速。現(xiàn)在還有立體超聲顯像、超聲CI、超聲內(nèi)窺鏡等超聲技術(shù)不斷涌現(xiàn)出來(lái)，并且還可以與其他檢查儀器結(jié)合使用，使疾病的診斷準(zhǔn)確率大大提高。彩色超聲波診斷儀用于培養(yǎng)液及藥物的霧化超聲波霧化是利用了其空化效應(yīng)，當(dāng)水中的空穴發(fā)生爆炸時(shí)，由于局部的高溫、高壓的作用會(huì)引起高壓水流；如果空穴的爆炸發(fā)生在水和空氣的界面，將會(huì)把空穴周圍的水粉碎成非常微小的微粒，于是形成水霧從水中溢出。利用超聲波霧化原理進(jìn)行液體的霧化已在生產(chǎn)和生活中廣泛應(yīng)用，如環(huán)境加濕器、藥物霧化器、無(wú)基質(zhì)霧化植物培養(yǎng)等。應(yīng)用超聲波使?fàn)I養(yǎng)液霧化，進(jìn)行室內(nèi)無(wú)基質(zhì)培養(yǎng)或氣培植物，可以解決水培養(yǎng)所面臨的供氧困難和營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)裝置需求問(wèn)題，在作物營(yíng)養(yǎng)、水分和根系觀察等方面的研究與應(yīng)用中是一種良好的手段。超聲藥物透入療法及藥物霧化給藥，可以促進(jìn)藥物吸收、提高藥效，對(duì)于呼吸道給藥的治療尤其有用，可以減少患者(尤其是小孩)用藥的痛苦，因而在醫(yī)院得到了廣泛的應(yīng)用。超聲波在生物技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用超聲波霧化器提高種子的發(fā)芽率與遺傳物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率超聲波的生物學(xué)效應(yīng)，在農(nóng)作物增產(chǎn)和沙地綠化等方面也有著重要意義。用超生波處理種子可提高發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率與種苗的成活率，從而提高作物產(chǎn)量與植樹(shù)種草的成活率。如用超聲波水浴對(duì)黑皮冬瓜種子進(jìn)行處理，然后進(jìn)行種子發(fā)芽試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超聲波處理顯著地促進(jìn)了黑皮冬瓜種子的萌發(fā)，提高了種子的活力；用超聲波處理落葉松、云杉等林木種子，可改善林木種子的播種品質(zhì)，提高種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率。Mason等報(bào)道超聲波也能增加魚(yú)卵的孵化率與孵出魚(yú)苗的成活率。超聲波在植物提取中的應(yīng)用超聲提取法廣泛應(yīng)用于多糖的提取中，例如用超聲法提取新疆枸杞多糖，多糖收率提高30％，提取時(shí)間縮短5倍以上，并且整個(gè)過(guò)程無(wú)需加熱，避免了多糖的分解。所以超聲提取對(duì)于某些熱敏性的成分的提取無(wú)疑是最有效的方法之一。同樣，超聲提取技術(shù)在新疆甘草多糖的提取中也有良好的應(yīng)用前景，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明用超聲法提取得甘草多糖的收率提高36％，時(shí)間縮短3倍以上。超聲提取之所以能高效地完成提取任務(wù)，原因是超聲波的空化效應(yīng)產(chǎn)生極大的壓力造成被粉碎物細(xì)胞壁及整個(gè)生物體的破碎，而且整個(gè)破碎過(guò)程在瞬間完成；超聲波線纜測(cè)高儀倒車?yán)走_(dá)超聲波霧化器超聲波霧化器超聲波焊接機(jī)超聲波驅(qū)蟲(chóng)器超聲波圓筒式分散儀超聲馬達(dá)超聲探傷儀德國(guó)Krautkramer[K.K]公司醫(yī)學(xué)超聲成像線陣聲納德國(guó)基元數(shù):3X96,基陣長(zhǎng)：48米超聲波清洗儀小結(jié)超聲波最大的特點(diǎn)就是可以以振動(dòng)的方式傳遞能量而不影響人類的聽(tīng)覺(jué)。超聲波的利用主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，一是微幅高頻振動(dòng)的利用，二是能量傳遞效果的利用，三是超聲信號(hào)的利用。具體地說(shuō)，就是超聲馬達(dá)、超聲