超声波|超声波原理|超声波技术|超声波的应用

　　声音是怎样形成的，超声波就是怎样形成的。通常我们所听到的声音，特别是噪声，实际上包含了很宽的频带，既有次声、普通声音，也有超声，只不过人耳只能听到普通声音而已。人听到的声音频率是20～20000Hz的声波信号，频率低于20Hz的声波叫做“次声波”，频率高于20000Hz的声波叫做“超声波”。

一、超声波的性质和作用

　　声波的传递依照正弦曲线纵向传播，有强的声波信号和弱的声波信号(即波峰和波谷)，依次传递。当弱的声波信号作用到液体时，会对液体产生一定的负压，使液体内形成许许多多微小的气泡;而当强的声波信号作用到液体时，则会对液体产生一定的正压，因而，液体中形成的微小气泡被压碎。研究表明：超音波作用于液体时，液体中每个气泡的破裂会产生力量极大的冲击波，瞬间强度高达上千个的大气压，这种现象被称为“空化效应”。

　　由于机械波的很多性质都和频率密切相关，比如透射率、衰减系数、辐射本领等等，所以人们经常使用处于超声波段的声波来达到某些用途(次声波也是如此)。这时人们可以用特殊的仪器产生窄频带的超声波，以提高利用率。具体的做法一般就是让声源以高于20000Hz的频率振动，辐射出去的自然就是超声波了。

　　由于高于20000Hz的声源用机械方法很难产生，所以通常都是用振荡电路产生的电信号激励声源振动。从本质上讲，超声波和电并没有必然的联系，只要能产生20000Hz以上的声源，不管用什么方法，都能产生超声波。

二、超声波的作用原理

　　超声波在传播过程中与媒介相互作用，相位和振幅发生变化，使媒质的一些物理、化学和生物特性或状态发生改变，或者使这种改变的过程加快，从而产生一系列效应，如力学、热学、化学和生物效应等。这些效应可归结为以下三种基本作用：

　　㈠热作用

　　超声波在媒质中传播时，大振幅声波会形成锯齿形波面的周期性激波，在波面处造成很大的压强梯度。振动能量不断被媒质吸收转化为热量而使媒质温度升

　　超声波是指频率在20kHz～106kHz的机械波，波速一般为1500m/s，波长为0.01cm～10cm。超声波的波长远大于分子尺寸，说明超声波本身不能直接对分子起作用，而是通过周围环境的物理作用影响分子，所以超声波的作用与其作用的环境密切相关。超声波既是一种波动形式，又是一种能量形式，在传播过程中与媒介相互作用产生超声效应。超声波与媒介相互作用可分为机械作用、空化作用和热作用。

　　随着科学技术的发展，相关技术领域相互渗透，使超声波技术广泛应用于工业、化工、医学、石油化工等许多领域。超声波作为一种特殊的能量输入方式，所具有的GX能在材料化学中起到光、电、热方法所无法达到的作用。仅从超声波在液体中释放的巨大能量来说就是其他方法所望尘莫及的，更不用说超声波定量控制的效果了。

　　近年来，随着超声波技术的日益发展与成熟，其在新材料合成、化学反应、传递过程的强化以及废水处理等领域都得到了广泛的应用。在材料合成中，尤其是纳米材料的制备中，超声波技术有着极大的潜力。通过超声波方法制备纳米材料，达到了目前我们采用激光、紫外线照射和热电作用所无法实现的目标，具有很好的前景。

一、超声波的特性及作用原理

　　1、超声波的特性

　　与可闻波相比，超声波由于频率高、波长短，在传播过程中具有许多特性：

　　①方向性好。由于超声波的功率高，其波长较同样介质中的声波波长短得多，衍射现象不明显，所以超声波的传播方向好。

　　②能量大。超声波在介质中传播时，当振幅相同时，振动频率越高能量越大。因此，它比普通声波具有大得多的能量。

　　③穿透能力强。超声波虽然在气体中衰减很强，但在固体和液体中衰减较弱。在不透明的固体中，超声波能够穿透几十米的厚度，所以超声波在固体和液体中应用较广。

　　④引起空化作用。在液体中传播时，超声波与声波一样是一种疏密的振动波，液体时而受拉时而逐级压，产生近于真空或含少量气体的空穴。在声波压缩

　　超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术之一，世界各国均重视对超声波技术在现代军事、医学、生活等领域中的应用研究。超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程而完成的，它的应用研究正是结合超声波之独有特性而展开。

一、超声波在军事中的应用

　　超声波基本上是沿直线传播的，可以定向发射。如果渔船载有水下超声波发生器，它旋转着向各个方向发射超声波，超声波遇到鱼群会反射回来，渔船探测到反射波就知道鱼群的位置了。这种仪器叫做声纳。

　　声纳也可以用来探测水中的暗礁、敌人的潜艇，测量海水的深度。在现代高科技术中虽然有用雷达，可以发现数百公里外的敌机;红外线望远镜可以在夜幕中发现隐蔽的敌人;卫星遥感技术可以在数小时内把地球表面整个地扫描一遍;射电天文望远镜可以观察到遥远的宇宙空间。但是为什么在水中却不采用这些先进技术而仍用落后的声纳呢?

　　海水有良好的导电性，对电磁波的吸收能力很强，因而电磁雷达无法探测水下作战目标(如潜水艇)的方位和距离。超声波在空气中衰减较快，而在固体、液体中的衰减却很小，这正好与电磁波相反。这种情况下，超声波雷达——声纳，便可发挥巨大的威力。

　　海水吸热能力太强，红外线技术无用武之地;水的透光能力差，而吸收光的能力却很浓，光学观察设备如望远镜也使不上了。特别是深海中一片漆黑，什么也看不见。探照灯又会暴露自己。而海水的传声能力却比在空气中强得多。声纳技术就应运而生了。声纳机发出一束束不同频率的声音信号，再用特殊设备接受反射信号加以分析，这样就如同安上了蝙蝠的耳朵，周围的情况也就一目了然了。

　　超声雷达还可以探测云层。地面设备向云层发射一束束超声波，根据反射时间可以计算出云层高度。再分析回声的频率变化，根据多普勒效应的原理，可以测出云层在空中漂移的速度。因此，声纳技术在它的特殊领域仍占着不可取代的地位。

二、超声波在医学中的应用

　　超声波探测技术开始应用

　　超声波作为一种检测技术，采用的是非接触式测量，此特点可使测量仪器不受被测介质的影响。这就大大解决了在粉尘多情况下，给人类引起的身体接触伤害，腐蚀性质的被测物对测量仪器腐蚀，触点接触不良造成的误测情况。且对被测元件无磨损，使测量仪器牢固耐用，使用寿命加长，而且还降低了能量消耗，节省人力和劳动的强度。

　　无论从精度还是从可靠性方面，超声波测距做得都比较好。利用超声波检测即迅速，方便，计算简单，又易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求,具有广泛的发展前景。

　　这些年来，随着超声波技术研究的不断深入，超声波的应用变得越来越普及。目前已经广泛地应用在机械制造、电子冶金、航海等工业领域。目前国内专用超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。

超声波测距原理：

　　本硬件设计采用超声波往返时间检测法，其原理为：检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘，就是声波传输的距离。而所测距离是声波传输距离的一半，即：

　　L=½vt                                                         &nbs

　　超声波焊是一种固相连接技术，在电子、电器、新材料(玻璃、陶瓷和硅片)以及塑料等领域得到广泛的应用。超声波焊接是热塑性材料和热塑性复合材料熔接的常用方法。该焊接方法通过在焊件施加低振幅(10～250)高频率机械振动来完成焊接。超声波焊接经常用来焊接由于复杂或价格较高而不能整体成型的部件。

一、超声波焊接工艺

　　超声波焊接有两种工作模式:切入式焊接和连续焊接。切入式焊接是一个不连续的过程：超声波焊具插入待焊件中进行焊接，焊接结束后收回。在连续焊接中，超声波焊具在一定压力下或固定间隙下一直保持与焊件接触，焊件以连续方式抽出(通常为薄膜或纤维)。

　　1、超声波焊接工作模式

　　材料的切入式超声波焊接常用于焊接、铆接、导入和压型。切入式超声波焊接是将待焊件放入夹具中，起动程序施加超声波能量进行焊接，结束后取走焊件。切入式焊接过程可以手动或自动。

　　连续超声波焊接几乎只用于连接薄膜和纤维。被连接材料置于焊头和夹具之间并以一定的速度喂入。这种应用类似于塑料缝合，并且许多连续超声波焊接设备的设计无论是外观还是功能都像一台缝纫机。但对于较大的连续焊接焊件，焊接设备通常很大，其设计就与缝纫机完全不同。材料在连续超声波焊接过程中所承受的力和振动与切入式焊接类似。通常焊头和夹具边缘在材料进入位置为圆形。当材料进入焊头和夹具之间时，压力逐渐增加，且材料上所施加的超声波振动也逐渐增加，直到力达到稳定状态。因为材料在焊头与夹具的缝隙中，所以冷却过程中的保持压力可以由相邻已经焊好的材料(已冷却和固化)施加。

　　2、超声波焊接工艺特性

　　超声波焊接通常有两种形式：近场焊接和远场焊接。目前工业上广泛使用的20kHz焊接系统中，将焊头/部件界面与焊接面之间距离小于6mm的称为近场焊接，距离大于6mm的称为远场焊接。

　　㈠近场焊接主要包括焊件的机械振动、热塑性塑料的黏弹性加热、热传递、流动和浸润、分子间扩散、冷却