超聲波用途淺析

梅 麗

山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院，山東 淄博 256414

超聲波是一種機(jī)械波，是機(jī)械振動在彈性介質(zhì)中的傳播過程，其頻率超過20kHz。超聲波的頻率越高，聲場的指向性越好，能量越集中。超聲波檢測是利用不同介質(zhì)的不同聲學(xué)特性對超聲波的影響來探查物體和進(jìn)行測量的一門技術(shù)。近幾十年來超聲波檢測技術(shù)在許多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，下面針對超聲波的一些主要用途及其原理作簡要分析。

1 工業(yè)方面

超聲波在工業(yè)方面有著廣闊的用途。如：可以用超聲波進(jìn)行金屬探傷，流量檢測，物位檢測，厚度、密度的檢測以及防盜報警等。

1）超聲波探傷是無損探傷技術(shù)中的一種主要檢測手段。它主要用于檢測板材、管材、鍛件和焊縫中的缺陷（如裂縫、氣孔、夾渣等）、測定材料的厚度、檢測材料的晶粒、配合斷裂力學(xué)對材料使用壽命進(jìn)行評價等。

超聲波探傷有脈沖反射法、穿透法、串列法等，最常用的還是脈沖反射法。而脈沖反射法根據(jù)波型不同又分為縱、橫、表面波探傷。我們通過探傷儀的熒光屏圖像可知工件中是否存在缺陷、缺陷大小及缺陷位置。工作時探頭放于被測工件上來回移動進(jìn)行檢測，探頭發(fā)出的超聲波，以一定的速度向工件內(nèi)部傳播，若工件中沒有缺陷，則超聲波傳到工件底部便產(chǎn)生反射，在熒光屏上只出現(xiàn)始脈沖和底脈沖。若工件中有缺陷，在熒光屏上除了始脈沖和底脈沖外，還出現(xiàn)缺陷脈沖。熒光屏上的水平亮線為掃描線，其長度與工件的厚度成正比，通過缺陷脈沖在熒光屏上的位置和脈沖幅度的高低來判斷缺陷在工件中的位置和大小。

2）超聲波流量檢測可實現(xiàn)非接觸測量。探頭可裝在被測管道的外壁，既不干擾流場，又不受流場參數(shù)的影響。一般是在被測管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對超聲波發(fā)射和接收探頭，其中一對是順流傳播，另一對逆流傳播。根據(jù)這兩束超聲波在流體中傳播的速度不同，測量兩接收探頭上超聲波傳播的時間差、相位差或頻率差等方法，可測出流體的平均流速及流量。

3）超聲波測量液位和物位是根據(jù)聲波脈沖反射原理。分成液介式和氣介式兩種。原理相似，都是利用了回波測距方法，即根據(jù)超聲波在液體或氣體中的往返時間測出液位和物位的。

4）超聲波防盜報警是利用了多普勒效應(yīng)。超聲波發(fā)射和接收探頭裝在同一塊線路板上，發(fā)射探頭發(fā)射出40kHz左右的連續(xù)超聲波，若有人以相對速度v進(jìn)入信號的有效區(qū)域，從人體反射回來的超聲波將由于多普勒效應(yīng)，而發(fā)生頻率偏移△f，接收探頭將收到兩個不同頻率所組成的差拍信號（40kHz，40kHZ±△f）。差拍信號經(jīng)放大、檢波后濾去40kHz信號，而留下△f的多普勒信號。此信號放大后，由檢波器變?yōu)橹绷麟妷?，去控制報警喇叭或指示器?/p>

2 環(huán)保去污方面

超聲波在環(huán)保去污方面用的也越來越多。超聲波可用來進(jìn)行有機(jī)污水降解、污垢處理、空氣加濕等。要討論這些方面的應(yīng)用首先簡要介紹一下自由基理論和超聲波的空化理論。

1）自由基理論：自由基，化學(xué)上也稱為“游離基”，是指能夠獨立存在的，含有一個或多個未成對電子的分子或分子的一部分，具有很高的反應(yīng)活性。由于自由基中含有未成對電子，具有配對的傾向。因此大多數(shù)自由基都具有高度的化學(xué)活性。自由基的配對反應(yīng)過程，又會形成新的自由基，形成連鎖反應(yīng)。

2）空化理論：超聲空化是強(qiáng)超聲在液體中引起的一種特有的物理現(xiàn)象。是指液體中的微小泡核在超聲波作用下被激活，它表現(xiàn)為泡核的振蕩、生長、收縮至崩潰等一系列動力學(xué)過程。超聲波在介質(zhì)中的傳播過程中存在著一個正負(fù)壓強(qiáng)的交變周期，它將引起媒質(zhì)分子以其平衡位置為中心的振動。在正壓相位時，超聲波對介質(zhì)分子擠壓，分子間的平均距離減小，增大了液體介質(zhì)原來的密度；而在負(fù)壓相位時，過程恰好與之相反。當(dāng)用足夠大振幅的超聲波作用于液體介質(zhì)時，在負(fù)壓區(qū)內(nèi)介質(zhì)分子間的平均距離會超過使液體介質(zhì)保持不變的臨界分子距離，液體介質(zhì)就會發(fā)生斷裂，形成微泡，微泡進(jìn)一步長大成為空化氣泡。在緊接著的壓縮過程中，這些空化氣泡被壓縮，其體積縮小，有的甚至完全消失。當(dāng)脫出共振相位時，空化氣泡就不再穩(wěn)定了，這時空化氣泡內(nèi)的壓強(qiáng)已不能支撐其自身的大小，即開始潰陷或消失，這一過程稱為空化作用。

在超聲空化過程中，除了能產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化能力的自由基以外，在空化泡瞬間崩潰時還會產(chǎn)生高溫和高壓?？栈輧?nèi)的水蒸汽在高溫、高壓下裂解為0H、H自由基以及次級自由基OOH等。部分自由基又會結(jié)合形成H2O2，空化泡崩潰產(chǎn)生的沖擊波和射流使這些自由基和H2O2進(jìn)入本體溶液。

3）有機(jī)污水降解：近年來通過超聲空化與其它技術(shù)聯(lián)合處理污水中的化學(xué)污染物，尤其是難降解的有機(jī)污染物，已獲得了許多有價值的研究成果。超聲降解水體中的有機(jī)污染物是物理—化學(xué)降解過程，液體的超聲空化是集中能量并迅速釋放的過程，即液體在超聲輻射下產(chǎn)生空化氣泡，這些空化氣泡吸收能量并在極端時間內(nèi)崩潰釋放?？栈瘹馀菹喈?dāng)于一個具有極端物化條件和含有較高能量的微反應(yīng)器，很高的流體剪切力，自由基反應(yīng)及化學(xué)轉(zhuǎn)化，高溫高壓等將氣泡內(nèi)的氣體和液體交界面的介質(zhì)加熱分解，并產(chǎn)生0H、H自由基以及次級自由基OOH等強(qiáng)度很高的氧化物質(zhì)，從而引起有機(jī)污染物的降解。當(dāng)然也有一些因素影響超聲降解，如溶解氣體、pH值、反應(yīng)溫度、超聲功率強(qiáng)度和超聲波頻率等。

（1）溶解氣體

溶解氣體的存在可提供空化核、穩(wěn)定空化效果、降低空化閾。

（2）pH值

對于有機(jī)酸堿性物質(zhì)的超聲降解，溶液pH值具有較大影響。當(dāng)溶液pH值較小時，有機(jī)物質(zhì)在水溶液中以分子形式存在為主，容易接近空化泡的氣液界面，并可以蒸發(fā)進(jìn)入空化泡內(nèi)，在空化泡內(nèi)直接熱解；同時又可以在空化泡的氣液界面上和本體溶液中同空化產(chǎn)生的自由基發(fā)生氧化反應(yīng)，降解效率高。當(dāng)溶液pH值較大時，有機(jī)物質(zhì)發(fā)生電離以離子形式存在于溶液中，不能蒸發(fā)進(jìn)入空化泡內(nèi)，只能在空化泡的氣液界面上和本體溶液中同自由基發(fā)生氧化反應(yīng)，降解效率較低。超聲降解發(fā)生在空化核內(nèi)或空化氣泡的氣液界面處，離子不易接近氣液界面，很難進(jìn)入空化泡內(nèi)，因此，溶液的pH值調(diào)節(jié)應(yīng)盡量有利于有機(jī)物以中性分子的形態(tài)存在并易于揮發(fā)進(jìn)入氣泡核內(nèi)部。

（3）溫度

溫度對超聲空化的強(qiáng)度和動力學(xué)過程具有非常重要的影響，從而造成超聲降解的速率和程度的變化。溫度提高雖有利于加快反應(yīng)速度，但超聲誘導(dǎo)降解主要是由于空化效應(yīng)而引起的反應(yīng)，溫度過高時，在聲波負(fù)壓半周期內(nèi)會使水沸騰而減小空化產(chǎn)生的高壓，同時空化泡會立即充滿水汽而降低空化產(chǎn)生的高溫，因而降低降解效率。所以低溫(小于20℃)較為有利于超聲降解。因此，一般都在室溫下進(jìn)行。

（4）超聲波頻率

并非頻率越高降解效果越好。超聲頻率與有機(jī)污染物的降解機(jī)理有關(guān)，以自由基為主的降解反應(yīng)存在一個最佳頻率；以熱解為主的降解反應(yīng)，當(dāng)超聲聲強(qiáng)大于空化閾值時，隨著頻率的增大，聲解效率提高。

（5）超聲功率強(qiáng)度

超聲功率強(qiáng)度是指單位聲發(fā)射端面積在單位時間內(nèi)輻射至反應(yīng)系統(tǒng)中的總聲能，一般以單位輻照面積上的功率來衡量。一般來說，超聲功率強(qiáng)度越大越有利于降解反應(yīng)，但過大時又會使空化氣泡產(chǎn)生屏蔽，因此要選擇功率強(qiáng)度合適的超聲波。

超聲波技術(shù)具有簡便、高效、無污染或少污染的特點，是近年來發(fā)展的一項新型水處理技術(shù)。當(dāng)然超聲處理是一個極其復(fù)雜的過程。不同物化性質(zhì)的有機(jī)污染物，因降解機(jī)理不同，超聲降解的效果也存在差異。利用超聲空化技術(shù)，只有針對具體的有機(jī)污染物，優(yōu)化反應(yīng)操作條件才能獲得最佳的超聲降解效果。

4）污垢處理、空氣加濕方面也同樣是利用了超聲波的空化理論。

超聲波在液體中傳播產(chǎn)生一個很大的壓力，將液體分子拉裂成空化核。此空化核非常接近真空，它在超聲波壓強(qiáng)反向達(dá)到最大時破裂，由于破裂而產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊可將物體表面的污物撞擊下來。

空氣加濕是超聲波傳到與其接觸的液體，使液體表面產(chǎn)生隆起，并在隆起的周圍發(fā)生空化作用，空化產(chǎn)生的沖擊波將以振子的振動頻率不斷反復(fù)，使液體表面產(chǎn)生有限振幅的表面張力波。這種張力波的波峰飛散，使液體霧化。

3 其它方面

當(dāng)然超聲波的用途還有很多。如眾所周知的醫(yī)學(xué)方面，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、曲線或影像特征來辨別它們。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。

目前，醫(yī)生們應(yīng)用的超聲診斷方法有不同的形式，可分為A、B、M及D型4大類。A型是以波形來顯示組織特征的方法，主要用于測量器官的徑線，以判定其大小。B型是用平面圖形的形式來顯示被探查組織的情況。其原理是將人體界面的反射信號轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)弱不同的光點，這些光點可通過熒光屏顯現(xiàn)出來，這種方法非常直觀。M型是用于觀察活動界面隨時間變化的一種方法。最適用于檢查心臟的活動情況，其曲線的動態(tài)改變稱為超聲心動圖。D型是專門用來檢測血液流動和器官活動的一種超聲診斷方法，又稱為多普勒超聲診斷法。超聲波技術(shù)正在醫(yī)學(xué)界發(fā)揮著巨大的作用，隨著科學(xué)的進(jìn)步，它將更加完善，將更好地造福于人類。

另外超聲波在電子行業(yè)、機(jī)電行業(yè)、輕紡行業(yè)、表面處理行業(yè)、軍事裝備領(lǐng)域、電鍍和噴涂、金屬焊接業(yè)、美容行業(yè)等都有廣泛應(yīng)用。它的涉及領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綄?，更有待于我們進(jìn)一步去拓展和發(fā)現(xiàn)。

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