基于激光多普勒測(cè)速技術(shù)的超聲駐波聲場(chǎng)特性的研究

阮中 周艷 朱寧 尹鑫昊 馮得明 扶志勇

【摘要】文章首先闡述了超聲波在醫(yī)學(xué)診斷、治療、材料加工、質(zhì)量檢測(cè)等方面的關(guān)鍵作用；然后詳細(xì)分析了國(guó)內(nèi)外超聲波技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)，強(qiáng)調(diào)了激光多普勒測(cè)速技術(shù)在提高聲場(chǎng)測(cè)量精度方面的優(yōu)勢(shì)；最后探討了基于激光多普勒測(cè)速技術(shù)的超聲駐波聲場(chǎng)特性研究對(duì)促進(jìn)科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的潛在影響，以及面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】超聲波技術(shù)；駐波聲場(chǎng)；激光多普勒測(cè)速技術(shù)；聲場(chǎng)測(cè)量

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.03.071

【基金項(xiàng)目】自然科學(xué)基金-科市聯(lián)合項(xiàng)目（2022JJ90052）：基于LDV測(cè)速技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)量測(cè)量方法及應(yīng)用研究；自然科學(xué)基金-科市聯(lián)合項(xiàng)目（2023JJ60534）：便攜式高精度風(fēng)量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究。

Research on the Characteristics of Ultrasonic Standing Wave Sound Field Based on Laser Doppler Velocimetry Technology

RUAN Zhong， ZHOU Yan， ZHU Ning， YIN Xinhao， FENG Deming， FU Zhiyong

（Hunan Institute of Metrology and Test， Changsha 410014， China）

Abstract： The article first pointing out the key role of ultrasound in medical diagnosis， treatment， material processing， quality testing， and other aspects. Then， a detailed analysis was conducted on the research status and development trends of ultrasonic technology at home and abroad， emphasizing the advantages of laser Doppler velocimetry technology in improving the accuracy of sound field measurement. Finally， it explore the potential impact of studying the characteristics of ultrasonic standing wave sound field based on laser Doppler velocimetry on promoting technological progress and industrial upgrading， as well as the challenges and future development trends it faces.

Keywords： ultrasonic technology； standing wave sound field； laser Doppler velocimetry technology； sound field measurement

1研究意義

目前，超聲波技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到了醫(yī)療、工業(yè)、環(huán)保及科學(xué)研究等多個(gè)領(lǐng)域，成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不可或缺的一部分。特別是在基礎(chǔ)物理研究與實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，超聲波技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。在這些應(yīng)用中，超聲駐波聲場(chǎng)的特性研究尤為關(guān)鍵，因?yàn)槁晥?chǎng)中的聲壓分布是理解和優(yōu)化超聲波應(yīng)用的基礎(chǔ)。超聲波技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。在醫(yī)學(xué)診斷中，超聲波被廣泛用于無(wú)損檢查，如超聲心動(dòng)圖和胎兒超聲檢查[1]。

在工業(yè)領(lǐng)域，超聲波技術(shù)同樣扮演著重要角色。在材料加工和質(zhì)量檢測(cè)中，超聲波被用來(lái)檢測(cè)材料缺陷，如裂紋和孔洞；在清潔工業(yè)中，超聲波清潔技術(shù)被用于去除硬表面的污染物；在環(huán)保領(lǐng)域中，超聲波技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在水處理和污染控制上，被用于促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，分解廢水中的有機(jī)污染物，提高水處理效率。在這些應(yīng)用中，對(duì)超聲波聲場(chǎng)特性的精確了解是確保工藝質(zhì)量和使用安全的關(guān)鍵。

目前，超聲波技術(shù)運(yùn)用在聲場(chǎng)特性的精確測(cè)量方面仍存在挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的測(cè)量方法，如水聽(tīng)器或者接觸式探頭，其往往受限于設(shè)備精度和環(huán)境條件，難以捕捉到聲場(chǎng)中的細(xì)微變化，如圖1所示。這些限制阻礙了超聲波聲場(chǎng)深層次理解，從而限制了超聲波技術(shù)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。為了克服這些限制，激光多普勒測(cè)速技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“LDV技術(shù)”）的引入為超聲波聲場(chǎng)的研究提供了新的路徑。LDV技術(shù)作為一種非接觸式、高精度的測(cè)量方法，能夠在不干擾聲場(chǎng)分布的情況下，精確測(cè)量聲場(chǎng)中的粒子速度。通過(guò)這種方式，研究人員能夠間接獲得聲壓分布信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)聲場(chǎng)特性的更深入理解。與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，LDV技術(shù)在測(cè)量過(guò)程中不會(huì)對(duì)聲場(chǎng)產(chǎn)生任何干擾，保證了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)分析

2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀

超聲波技術(shù)作為一種非侵入性、無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，在國(guó)際上已經(jīng)取得了顯著的研究進(jìn)展。很多研究人員通過(guò)廣泛的實(shí)驗(yàn)和深入的理論分析，探索了超聲波在多種介質(zhì)中的傳播特性、聲場(chǎng)分布，以及其與不同物質(zhì)相互作用的復(fù)雜機(jī)理。這些研究成果不僅豐富了超聲波技術(shù)的基礎(chǔ)理論，也為其在多個(gè)實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在醫(yī)療領(lǐng)域，超聲波技術(shù)已成為一種重要的診斷工具。它在無(wú)損檢測(cè)和醫(yī)學(xué)診斷中發(fā)揮著重要作用，如在心臟病學(xué)中用于超聲心動(dòng)圖檢查，以及在婦產(chǎn)科中用于胎兒監(jiān)測(cè)和婦女健康的評(píng)估。超聲波的應(yīng)用不僅限于傳統(tǒng)的診斷方法，還在物理治療和腫瘤治療領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，如超聲波在治療癌癥中的靶向藥物輸送和治療監(jiān)測(cè)等。在工業(yè)領(lǐng)域，超聲波技術(shù)在材料加工、質(zhì)量檢測(cè)和清潔工藝方面的應(yīng)用同樣令人矚目。它在精密加工、焊接和切割等方面為航空、汽車(chē)制造和電子行業(yè)帶來(lái)了革命性的變化。在材料科學(xué)中，超聲波技術(shù)被用于檢測(cè)內(nèi)部缺陷和微觀結(jié)構(gòu)，如通過(guò)超聲波檢測(cè)探測(cè)金屬和復(fù)合材料中的裂縫和孔洞[2]。超聲波技術(shù)在這些領(lǐng)域的應(yīng)用提高了生產(chǎn)效率，降低了成本，同時(shí)也減少了對(duì)環(huán)境的影響。

超聲波技術(shù)展示了巨大的創(chuàng)新潛力。在超聲波聲場(chǎng)的測(cè)量和分析方面，LDV技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)辟了新的研究方向。LDV技術(shù)允許研究人員以非侵入性的方式精確測(cè)量聲場(chǎng)中的粒子速度分布，能夠更準(zhǔn)確地獲取聲壓分布的信息。LDV技術(shù)的這一特點(diǎn)對(duì)于深入理解超聲波在不同介質(zhì)中的傳播機(jī)制，以及其在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用至關(guān)重要。此外，國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)還在不斷探索超聲波技術(shù)在新興領(lǐng)域的應(yīng)用，如在環(huán)境科學(xué)中，超聲波技術(shù)被用于監(jiān)測(cè)水質(zhì)和空氣質(zhì)量，以及在清潔技術(shù)中的應(yīng)用。在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，研究人員正在探索超聲波在組織工程和藥物輸送系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用。這些研究不僅表明了超聲波技術(shù)在傳統(tǒng)領(lǐng)域外的廣闊應(yīng)用前景，也顯示了其在未來(lái)科技發(fā)展中的重要作用[3]。

總的來(lái)說(shuō)，國(guó)際上對(duì)于超聲波技術(shù)的研究不斷深入，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展。隨著技術(shù)的進(jìn)步和理論的發(fā)展，超聲波技術(shù)有望在未來(lái)的科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用。

2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

盡管?chē)?guó)內(nèi)的超聲波技術(shù)應(yīng)用正在逐漸增多，但與國(guó)際研究相比，這一領(lǐng)域的研究進(jìn)展相對(duì)滯后。國(guó)內(nèi)大部分的研究工作仍依賴(lài)傳統(tǒng)的測(cè)量方法，這些方法在設(shè)備精度和環(huán)境適應(yīng)性方面存在限制。這種局限性不僅影響了研究的深度和廣度，也限制了超聲波技術(shù)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。在醫(yī)療領(lǐng)域，超聲波技術(shù)主要用于診斷工具，如超聲心動(dòng)圖和腹部超聲檢查。雖然這些技術(shù)已被廣泛使用，但與國(guó)際先進(jìn)水平相比，國(guó)內(nèi)在超聲波成像質(zhì)量、多維度成像以及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面仍有較大的提升空間。超聲波在腫瘤治療和其他治療性應(yīng)用方面的研究也相對(duì)落后。在工業(yè)領(lǐng)域，超聲波技術(shù)主要用于材料檢測(cè)和加工。在高精度測(cè)量和復(fù)雜材料處理方面，國(guó)內(nèi)的應(yīng)用和研究還未達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，這在一定程度上限制了超聲波技術(shù)在國(guó)內(nèi)高端制造業(yè)中的應(yīng)用[4]。此外，超聲波技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)和清潔技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用也相對(duì)較少。這些領(lǐng)域?qū)τ谔岣攮h(huán)境質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，但相關(guān)的研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)仍處于起步階段。例如，在水處理和空氣凈化領(lǐng)域，超聲波技術(shù)的潛在應(yīng)用價(jià)值尚未得到充分挖掘。

總的來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)在超聲波技術(shù)的研究和應(yīng)用方面雖然已取得一定成果，但與國(guó)際先進(jìn)水平相比還存在顯著差距。這主要體現(xiàn)在超聲波聲場(chǎng)的精確測(cè)量和分析、高端醫(yī)療成像技術(shù)，以及工業(yè)級(jí)應(yīng)用的深入開(kāi)發(fā)方面。因此，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新，提升超聲波技術(shù)的應(yīng)用水平，對(duì)推動(dòng)國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)具有重要意義。另外，加強(qiáng)國(guó)際交流合作，引進(jìn)和吸收先進(jìn)技術(shù)，對(duì)于縮小與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，加快超聲波技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展進(jìn)程也至關(guān)重要。

3發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)

隨著科技的不斷進(jìn)步，未來(lái)基于LDV技術(shù)的超聲駐波聲場(chǎng)特性研究預(yù)計(jì)將成為國(guó)內(nèi)外科研領(lǐng)域的重點(diǎn)。這一研究方向的深入不僅可以填補(bǔ)國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究空白，也將推動(dòng)超聲波技術(shù)在醫(yī)療、工業(yè)檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。超聲波技術(shù)的進(jìn)步將極大地提高這些領(lǐng)域工作的效率和準(zhǔn)確性，尤其在非侵入性診斷、高精度材料檢測(cè)和環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)等方面展現(xiàn)出巨大的潛力。國(guó)際上超聲波技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)國(guó)內(nèi)科研和技術(shù)創(chuàng)新提出了新的挑戰(zhàn)。首先，國(guó)內(nèi)研究在超聲波領(lǐng)域尤其是LDV技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展上需要加大投入。這包括在基礎(chǔ)理論研究、新技術(shù)開(kāi)發(fā)以及實(shí)際應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方面的全面推進(jìn)。特別是結(jié)合基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究，提高超聲波聲場(chǎng)的測(cè)量精度和分析能力，將對(duì)推動(dòng)超聲波技術(shù)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生重要影響[5]。

在技術(shù)層面，提高聲場(chǎng)測(cè)量的分辨率和準(zhǔn)確性是當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)之一。這需要新型傳感器的開(kāi)發(fā)、更高效的數(shù)據(jù)處理算法以及更精密的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。此外，優(yōu)化超聲波設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造對(duì)于提高超聲波應(yīng)用的效果同樣至關(guān)重要。這不僅包括提升設(shè)備的性能，還涉及降低成本、提高可靠性和用戶(hù)友好性等方面。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)在超聲波技術(shù)方面的發(fā)展還需要加強(qiáng)國(guó)際合作，通過(guò)與國(guó)際先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和研究機(jī)構(gòu)的合作，可以共享研究成果，學(xué)習(xí)國(guó)際上的先進(jìn)技術(shù)和理念，從而加速?lài)?guó)內(nèi)超聲波技術(shù)的發(fā)展。這種合作可以是人才交流、共同研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)際會(huì)議交流等多種形式。同時(shí)，面對(duì)超聲波技術(shù)在不同應(yīng)用領(lǐng)域中的特殊需求，定制化解決方案的開(kāi)發(fā)也成為未來(lái)的一個(gè)重要發(fā)展方向。例如，在醫(yī)療領(lǐng)域，針對(duì)不同的診斷和治療需求，開(kāi)發(fā)適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便、成像清晰的超聲設(shè)備；在工業(yè)領(lǐng)域，根據(jù)材料的不同特性開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的超聲檢測(cè)和加工設(shè)備；在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)能夠在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行的高靈敏度超聲監(jiān)測(cè)設(shè)備。

此外，隨著超聲波技術(shù)的深入應(yīng)用，與之相關(guān)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范和操作指南的制定也顯得尤為重要。這不僅涉及技術(shù)安全和效率，還關(guān)系到超聲波技術(shù)的健康、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。因此，政府和行業(yè)組織在推動(dòng)超聲波技術(shù)應(yīng)用的同時(shí)，還需加強(qiáng)對(duì)相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的制定和更新。

綜上所述，基于LDV技術(shù)的超聲駐波聲場(chǎng)特性研究具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的科學(xué)意義。面對(duì)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)需要緊跟國(guó)際發(fā)展步伐，不斷加大研究投入，推動(dòng)超聲波技術(shù)在醫(yī)療、工業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。同時(shí)，通過(guò)加強(qiáng)國(guó)際合作，吸收國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，提升自身研發(fā)和創(chuàng)新能力，這將對(duì)促進(jìn)國(guó)內(nèi)超聲波技術(shù)的發(fā)展起到積極作用。

4結(jié)束語(yǔ)

本研究探討了基于LDV技術(shù)對(duì)超聲波駐波聲場(chǎng)特性的重要性和應(yīng)用前景，分析了超聲波技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵作用，并強(qiáng)調(diào)了LDV技術(shù)在提高聲場(chǎng)測(cè)量精度方面的優(yōu)勢(shì)。研究顯示，LDV技術(shù)不僅能提升聲場(chǎng)測(cè)量的準(zhǔn)確性，還能促進(jìn)科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。面對(duì)當(dāng)前的挑戰(zhàn)和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，本文強(qiáng)調(diào)了加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新，以及國(guó)際合作的重要性，以推動(dòng)超聲波技術(shù)的廣泛應(yīng)用和持續(xù)發(fā)展。

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【作者簡(jiǎn)介】

阮中，男，1983年出生，工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)榱髁?、容量、風(fēng)量計(jì)量。

（編輯：李加鵬）