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1、超声波专题,一关于声学:,声学，是物理学分支中发展的比较早的几个分支之一。,作为一门系统学科，声学的基本理论在19世纪中叶已经达到相当完善的地步，那时是物理学的热门，许多数学、物理学家对它产生浓厚的兴趣，并作出划时代的贡献，其中以1877年出版的瑞利的巨著声学原理集其大成，由此开创了现代声学的先河。,声音的定义：声音是一种机械扰动在气态、液态和固态中的传播，无论从哪种角度讲，声是一种波动形式，也是一种能量形式。,从1900年开始，声学开始了外延式的扩展。,和电磁波类似，声也是有频率范围的，从甚低频到几个兆赫都是声学的研究范围。这个频率范围被人为分为三个频段：,首先，是频率方面的扩展：,其次，有
2、传播介质方向的扩展：,声波赖以传播的介质是声波存在不可缺少的条件。,具体的说，声波在气、液、固三态中都可以传播，那么，其中以空气最为普遍，涉及可听声范围的多个声学分支都是以空气为传播介质，也就是“空气声学”分支的研究内容。而大范围内开阔大气中的声现象为“大气声学”分支。地球表面除了大气之外，还有两种大范围的开阔介质，也就是海水和地壳，而有“水声学”和“地声学”两个分支。此外在所谓物质第四态的等离子体中，同样存在声现象，所以有等离子体声学。,普遍说来，介质可以按照其性质和形态分为：分层介质、运动介质、随机（无规）介质等，均有相应的声学分支与之对应。,二 、 超声波及其产生和传播：,超声波是一种波
3、动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如B超等用作诊断）；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构。,1、压电效应,某些固体物质，在压力（或拉力）的作用下产生形变，从而使物质本身极化，在物体相对的表面出现正、负束缚电荷，这一效应称为压电效应。 通常具有压电效应的物质同时也具有逆压电效应，即当对施加电压后会发生变形。超声波探头利用逆压电效应产生超声波，而利用压电效应接收超声波。 其物理机理如图1-1所示。,石英晶体结构,拉力作用下的极化,晶体的宏观极化,图1-1 石英晶体的压电效应,2、脉冲超声
4、波的产生,用于产生和接收超声波的材料一般被制成片状（晶片），并在其正反两面镀上导电层（如镀银层）作为正负电极。如果在电极两端施加一脉冲电压，则晶片发生弹性形变，随后发生自由振动，并在晶片厚度方向形成驻波，如果晶片的两侧存在其它弹性介质，则会向两侧发射弹性波，波的频率与晶片,适当选择晶片的厚度，使其产生弹性波的频率在超声波频率范围内，则该晶片即可产生超声波。在晶片的振动过程中，由于能量的减少，其振幅也逐渐减小，因此它发射出的是一个超声波波包，称为脉冲波，如图1-2（b）所示。,的材料和厚度有关。如图1-2(a)所示。,3、超声波波型及换能器种类,如果片内部质点的振动方向垂直于晶片平面，那么晶片向
5、外发射的就是超声波。超声波在介质中传播可以有不同形式，它取决于介质可以承受何种,表面波波型：是沿着固体表面传播的具有纵波和横波的双重性质的波。表面波可以看成是由平行于表面的纵波和垂直于横波的横波合成，振动质点的轨迹为一椭圆，在距表面1/4波长深处振幅最强，随着深度的增加很快率减，实际上离表面一个波长以上的地方，质点振动的振幅已经很微弱了。,横波波型：当介质中质点的振动方向与超声波垂直时，此种超声波为横波波型。由于固体介质除了能承受体积变形外，还能够承受切变变形。当其中剪切力交替作用于固体介质时均能产生横波。横波只能在固体介质中传播。,作用力以及如何对介质激发超声波。通常有如下三种：,纵波波型：
6、当介质中质点振动方向与超声波的传播方向一致时，此超声波为纵波波型。任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。,常用的超声波探头有直探头和斜探头两种，其结构如图1-3所示。探头通过保护膜或斜楔向外发射超声波；吸收背衬的作用是吸收晶片向背面发射的声波，以减少杂波；匹配电感的作用是调整脉冲波的波形。一般，直探头产生纵波，斜探头产生横波或表面波。另一种可变角探头，如图1-4所示。其中探头芯可以旋转，通过改变探头的入射角，得到不同折射角的斜探头。当 =0时成为直探头。,(一) 超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。,4、超声波的特点：,(三) 超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质
7、状态的信息（诊断或对传声媒质产生效应）。,(二) 超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。,三、超 声 波 的 应 用：,当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力学的、热学的、电磁学的和化学的超声效应，包括以下4种效应：,机械效应。当超声波流体介质中形成驻波时 ,悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处，在空间形成周期性的堆积。超声波在压电材料和磁致伸缩材料中传播时，由于超声波的机械作用而引起的感生电极化和感生磁化。超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。,空化作用。超声波作用于液体时可产生大量
8、小气泡 。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。空洞内为液体蒸气或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压，同时产生激波。与空化作用相伴随的内摩擦可形成电荷，并在气泡内因放电而产生发光现象。在液体中进行超声处理的技术大多与空化作用有关。例如对液体的乳化、分散、萃取以及其他各种工艺过程都是利用超声空化作用。,化学效应。超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应。例如纯的
9、蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢；溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸；染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。这些现象的发生总与空化作用相伴随。超声波还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程。超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后，特征吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收，这表明空化作用使分子结构发生了改变 。,热效应。由于超声波频率高，能量大，被介质吸收时能产生显著的热效应。,超声波在媒质中传播时, 其振动能量不断被媒质吸收转变为热量而使媒质温度升高，此种升温方法与其它加热方法相比达到同样的效果。用10 W声功率处理50 mL水, 在绝热状态下, 理论
10、上2 min后可使水温升高5.7 。,三、超 声 波 的 应 用：,超声波探伤是目前应用十分广泛的无损探伤技术中的一种主要检测手段。它既可检测材料表面的缺陷, 又可检测内部几米深的缺陷,这是x 光探伤所达不到的深度。超声波探伤比X 射线探伤具有较高的探伤灵敏度、周期短、成本低、灵活方便、效率高, 对人体无害等优点;缺点是对工作表面要求平滑、要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、对缺陷没有直观性; 超声波探伤适合于厚度较大的零件检验。,超声波无损检测：,实验仪器介绍,JDUT-2型超声波实验仪,注意：在铝试块上点滴4-5滴耦合剂（油滴）,A,B,使探头直接接触工件进行探伤的方法称之为直接接触法
11、。使用直接接触法应在探头和被探工件表面涂有一层耦合剂作为传声介质。常用的耦合剂有机油、甘油、化学浆糊、水及水玻璃等。焊缝探伤多采用化学浆糊和甘油。,利用直探头探测缺陷深度,超声波在采油技术中的应用,超声波作用时,岩石渗透率明显提高,停止作用时,渗透率有所下降,但最终渗透率比作用前的渗透率提高。对于被钻井液、微粒、蜡、聚合物、机油等污染的岩心,通过超声波处理,其渗透率可以得到恢复或提高。,超声波作用能降低原油粘度,改善流体渗流特性,在同温同压下,超声波作用后的原油粘度比作用前大大降低,实验表明原油粘度越高,处理后下降幅度越大,尤其是凝固点降低,这种降低是不可逆转的。,超声波作用可以恢复或提高岩心
12、渗透率,超声波发生器利用新型大功率电子器件IGBT进行了集成化设计,可承受高电压、高电流,使设备体积小、节能效果好;采用了多芯线双层铠装电缆,使相同截面积条件下比单芯电缆承受更高的电流,增加了电缆的韧性,使最大有效处理深度达到2800m 左右;陶瓷压电环的特殊结构增加了换能器功率容量,也能延长换能器使用寿命,且工作安全可靠。,基本施工工序 (1) 起出油水井生产管柱; (2) 通井到处理层以下20 m; (3) 超声波工程车就位,安装井口滑轮,连接电缆; (4) 进行磁定位,一定要准确; (5) 下换能器到标定位置,开启超声波发生器,按照优选参数进行施工; (6) 处理油层时,自下而上逐点进行
13、; (7) 施工结束后,尽可能快的下泵投产,要求在24 h 内开机。,近年来,在现场施工几十口井,取得了不错的增产效果。超声波采油技术可以非常有效的解除颗粒堵塞。,超声波在采油技术中的应用,富68 井超声波处理前后产量、含水变化曲线,也可以用于稠油井、易结蜡井的有机堵塞和含气较高的油井的处理。,超声波在采油技术中的应用,超声波采油的仪器设备先进,处理最大深度2 650 m ,为国内目前最深,且安全可靠、效率高,工艺简单,成本低,效益高,无环境污染,非常适合于对成本控制要求严格的中小油田。,超声波原油破乳技术,所谓超声波原油破乳技术， 就是利用超声波使油和水的乳化结构产生机械振荡， 来解决原油电
14、脱盐过程中油和水的乳化问题。该技术不受原油的性质的影响， 具有能耗低和无污染的特点。这大大突破了以前“原油破乳只能添加破乳剂” 的传统做法，“省时省钱省力”，受到业界的高度关注。,该课题最早由齐鲁石化研究院院长达建文博士提出。,2003年在齐鲁分公司胜利炼油厂的常电脱盐装置进行工业应用试验，取得良好效果。试验不但节省了破乳剂和电耗，而且，脱后原油含盐量和含水量大幅下降。该技术于2006 年3 月通过中国石化科技开发部组织的技术鉴定，被专家称为“原油破乳史上的一场革命”， 并获2006 年度中国石化技术发明二等奖。,超声波在采油技术中的应用,超 声 波 清 洗 技 术,超声清洗属于物理力清洗，其
15、本身为绿色清洗，若在清洗液中添加适宜的清洗剂则属组合清洗，更具明显的清洗效果。,超声波清洗机理分两种情况，一种情况是超声清洗在中、低频时，即频率在20kHz130kHz范围内，特别是在20kHz40kHz 情况下，把液体放入清洗槽内，槽内作用超声波。由于超声波与声波一样，是一种疏密的振动波，介质中的压力作交替变化。产生空化作用。,第二种情况：超声清洗工作频率在1MHz 左右甚至高达3 M H z ，有时被称之为兆赫级超声清洗。由于频率太高，声波在清洗液中很难发生空化，其清洗机理一般认为主要由于声压梯度、粒子速度及声流的作用，而空化效应是次要的。这种超声清洗的特点是清洗方向性强，清洗时一般将零件
16、表面置于与声束平行的方向。,清洗液中导入起声波，产生空化、声流、辐射压，这些效应使污物被机械剥离，并促进污物与清洗液的化学反应,超声清洗机理,超 声 波 清 洗 技 术,另外，有机废水、污泥调理、处理微污染水源、提高生物活性、饮用水消毒以及膜生物反应器中分离膜的阻垢、除垢等方面也有较好的应用效果。超声雾化，超声波加湿器。以及，超声波在零维、一维以及具有特殊结构的纳米材料制备中的应用，都是利用了超声波的空化效应。,超 声 波 清 洗 技 术,超声波在乳品行业中的应用,随着乳品工业的发展, 出现了一些新的加工技术。超声波加工技术就是其中的一种。声学与化学相互交叉渗透的超声波化学技术广泛应用于食品加
17、工、化学、化工、医药和农药等诸多领域。,BILON-6000超声波材料乳化机/超声波材料分散器/均质器,超声波的乳化机理有3种: 一是超声空化( 油水体系) , 二是表面不稳定, 三是超声波引起的微冲流。对牛奶、果汁、番茄酱、人造奶油、巧克力及色拉油等被加工物料采取适当强度的超声波, 可以引起空化作用, 空化气泡气泡在崩溃时会产生冲击波和射流作用, 使细胞壁破裂, 剪切生物大分子或液体中的生物分散相均质, 达到乳化效果, 从而可提高产品质量档次和提高生产效率。乳化一般采用低频超声波2030 kHz),超声波均质是利用超声波在液体中的空化作用来达到均质效果的, 可使颗粒分散程度达到1 m以下。超
18、声波对脂肪球的影响能提高牛乳的贮藏性能及营养性能。,超声波在乳品行业中的应用,超声波灭菌技术主要是用于果蔬汁、饮料、酒料、牛奶、矿泉水、酱油等液体食品, 这对延长食品保质期, 保持食品安全性有重要的意义。不仅可以保持食品原有的风味和维生素, 且耗时短。若采用超声- 激光或超声- 磁化联合杀菌, 效果更佳, 这种基于光、电、声、磁综合应用的“冷杀菌工艺”受到国内外食品行业极大的关注, 必将成为21世纪食品工业研究和推广的重要高新技术之一。,超声波在乳品行业中的应用,超声波在医学上的应用,工作原理：,将超声波发射到人体内，当它在体内遇到界面时会发生反射及折射，并且在人体组织中可能被吸收而衰减。因为
19、人体各种组织的形态与结构是不相同的，因此其反射与折射以及吸收超声波的程度也就不同，医生们正是通过仪器所反映出的波型、曲线，或影象的特征来辨别它们。此外再结合解剖学知识、正常与病理的改变，便可诊断所检查的器官是否有病。,现在还有立体超声显象、超声CT、超声内窥镜等超声技术不断涌现出来，并且还可以与其他检查仪器结合使用，使疾病的诊断准确率大大提高。,超声外科手术刀,利用超声波击碎体内的结石。,海扶超声聚焦刀,High Intensity Focused Ultrasound (HIFU),当任何气体(空气、氧气、氮气等)通过一泄漏孔隙，均会产生具有可探测高频成份的扰流，以ULTRAPROBE 检测
20、仪来扫描附近区域，经由耳机可听到泄漏的急流声或是指示 。,将超声波音源发生器置于物件的内部或一端，则超声波信号会流至待测物内部各角落，并穿透任何泄露位置。因此ULTRAPROBE于外部扫描穿透的超声波信号，即可指出泄露位置。 应用：飞机门窗、油箱、座舱泄漏、船舱/潜艇舱房泄露，汽车门窗泄漏。,超声波泄漏检测仪,超声波在军事中的应用,超声波防空导弹系统,超声波美容的原理,超声波具有频率高，方向性好，穿透力强，张力大等特点。当传播到物质中会产生剧烈的强迫振动，并产生定向力和热能。超声波作用于人体皮肤时便会加强皮肤的 血液循环，促进新陈代谢，改善皮肤的渗透性，同时促进药物或各种营养及活性物质经皮肤或
21、粘膜透入而达到养护皮肤的美容目的。其机械作用可引起细胞振动，增强细胞膜的新陈代谢和通透性，改善血液与淋巴循环，提高组织再生能力，使结缔组织变软。其理化作用主要表现在聚合反映和解聚反应。聚合反应表现可对损坏组 织的再生有较强的促进作用。解聚反应使大分子粘度下降，在超声波作用下药物解聚。药物粘调度下降，有利于药物的渗透可吸收，增加药物疗效。,超声波是指频率超过2万赫兹以上，不能引起正常人听觉的机械振动波，该振动波具有机械作用、温热作用和化学作用。,机械作用：超声波功率强、能量大，作用于面部可以使皮肤细胞随之振动，产生微细的按摩作用，改变细胞容积，从而，改善局部血液和淋巴液的循环，增强细胞的通透性，
22、提高组织的新陈代谢和再生能力，软化组织，刺激神经系统及细胞功能，使皮肤富有光泽和弹性,超声波美容的原理,温热作用：通过超声波的温热作用，可以提高皮肤表面的温度，使血液循环加速，增加皮肤细胞的养分，使神经兴奋性降低，起到镇痛的作用，使痉挛的 肌纤维松弛，起到解痉的作用。超声波的热是内生热，热量的79%82%被血液自作用区运走，18%21%由热传导而分散至临近组织中，因此，病人无明 显热感觉。,化学作用：超声波可以加强催化能力，加速皮肤细胞的新陈代谢，使组织pH值向碱性方向变化，减轻皮肤炎症伴有的酸中毒及疼痛。超声波可以提高细 胞膜的通透性，使营养素和药物解聚，利于皮肤吸收营养，利于药物透入菌体，
23、提高杀菌能力。,超声波美容仪的具体功能如下：软化血栓，消除“红脸”。用于脸部微细血管变形、血液循环障碍引起的面部红丝、红斑，以及因螨虫感染而引起的面部红斑或酒渣鼻。,超声波美容的原理,任何振动的物体都可以成为声源，但是自然界的声源比较复杂，且成本高，要研究声，就希望能够根据自己的需要制造声音，这就出现了声源的定制问题。 在电引入声之前，“定制”声很麻烦，需要使用机械装置，利用摩擦、碰撞，或者烧锅炉产生蒸汽，利用气流来获得声。电的引入，使声源的定制出现了彻底的改变。 把电能转换成声能的器件，叫换能器。从本质上讲，喇叭、耳机都是换能器。但是我们习惯把利用压电效应的声电转换器，称为换能器。这是最常用
24、的声源。,1.超声波具有较好的指向性，频率越高，指向性越强。这在诸如探伤和水下声通讯等应用场合是主要考虑因素。 2.频率高，相应的波长将变短，因而波长可与传播超声波的试样材料的尺寸相比拟，甚至波长可远小于试样材料的尺寸，这在厚度尺寸很小的测量应用中以及在高分辨率的探伤应用中是非常重要的。 3.超声波用起来很安静，人们听不到它。这一点是高强度工作场合尤为重要。,超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿直线传播,俗话说“隔墙有耳”(图1)，这说明声波能够绕过障碍物但是，波长越短，这种绕射现象越不明显，因此，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
25、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,趣的是，很多动物都有完善的发射和接收超声波的器官以昆虫为食的编幅，视觉很差，飞行中不断发出超声波的脉冲，依靠昆虫身体的反射波来发现食物海豚也有完善的“声纳”系统，使它能在混浊的水中准确地确定远处小鱼的位置现代的无线电定位器雷达，质量有几十、几百、几千千克，蝙蝠的超声定位系统只有几分之一克，而在一些重要性能上，如确定目标方位的精确度、抗干扰的能力等都远优于现代的无线电定位器深入研究动物身上各种器官的功能和构造，将获得的知识用来改进现有的设备和创制新的设备，这是近几十年来发展起来的一门新学科，叫做仿生学,人体各个内脏的表面对超声波的反射能力是不同的，健康内脏和病变内脏的反射能力也不一样平常说的“B超”就是根据内脏反射的超声波进行造影，帮助医生分析体内的病变,根据同样的道理也可以用超声波探测金属、陶瓷混凝土制品，甚至水库大坝，检查内部是否有气泡、空洞和裂纹,超声波导盲器：利用它的测距原理。最简单常用的装置是普通的手杖, 用它在地面上敲击, 可帮助盲人发现0.5 米以内的障碍物。,声波的三大作用，在人体面部进行治疗， 以达到美容目的。,