带你认识超声波 有趣的超声波知识科普

1.超声波是指。

　　人耳朵能听到的声波频率为20-20000Hz，当声波的振动频率大于20000Hz时，人耳无法听到。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为"超声波"。

　　2.超声波是一种机械波，机械振动与波动是超声波探伤的物理基础。

　　超声波在，渔业上有很多的应用。可用于测距、测速、测障、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒、检查金属产品的缺陷、焊接铝金属、洗衣服、在坡璃上钻孔、以及寻找沉没了的船只...等.

传播特点

　　超声波的波长相对来说比声波要短，通常的障碍物都会比超声波的波长大很多，所以说超声波的衍射能力不是很强，在介质一定密度不变的情况下，超声波能够沿着波的方向一致沿直线传波，超声波的波长相对来说越短的话，直射能力就越好。

　　功率特点

　　当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大，所以说超声波跟声波相比呢，超声波的功率比声波要大很多的。

　　空化作用

　　超声波在液体中随着液体的缝隙传播开时，液体的分子受到超声波的能量的传递，而具有能量，分子相互作用而产生大量的气泡，这些气泡构成了空化的前提条件，能量聚集到一定的程度的时候气泡破裂产生巨大的能量把整个液体破费，空化作用常常用于超声波清洗机、以及小型超声波清洗机的与原理应用。

　　检测原理

　　超声波探伤仪超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、和超声成像技术。超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术 。把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息(如对声波的反射、吸收和散射的能力)，经声透镜汇聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。上述装置称为超声显微镜。超声成像技术已在医疗检查方面获得普遍应用，在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查，在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。声全息术是利用超声波的干涉原理记录和重现不透明物的立体图像的声成像技术，其原理与光波的全息术基本相同，只是记录手段不同而已(见全息术)。用同一超声信号源激励两个放置在液体中的换能器，它们分别发射两束相干的超声波:一束透过被研究的物体后成为物波，另一束作为参考波。物波和参考波在液面上相干叠加形成声全息图，用激光束照射声全息图，利用激光在声全息图上反射时产生的衍射效应而获得物的重现像，通常用摄像机和电视机作实时观察。

　　超声波洗净的含义

　　超声波洗净作用，是以超过人类听觉声频以上的波动在液体中传导.当音波在洗净剂中传播时,由于音波是一种纵波，纵波推动介质的作用会使液体中压力变化而产生无数微小真空泡,称之为"空穴效应"。当汽泡受压爆破时，会产生强大的冲击能，可将固着在物件死角内的污垢打散，并增强洗净的洗净效果，由于超声波频率高波长短，穿透力强,因此对有隐蔽细缝或复杂结构的清洗物,可以达到惊人的洗净效果

　　超声波清洗是基于空化作用，即在清洗液中无数气泡快速形成并迅速内爆。由此产生的冲击将浸没在清洗液中的工件内外表面的污物剥落下来。随着超声频率的提高，气泡数量增加而爆破冲击力减弱，因此，高频超声特别适用于小颗粒污垢的清洗而不破环其工件表面。空化泡的扩大以及爆裂(内爆)气泡是在液体中施加高频(超声频率)、高强度的声波而产生的。因此，任何超声清洗系统都必须具备三个基本元件:盛放清洗液的槽、将电能转化为机械能的换能器以及产生高频电信号的超声波发生器。

　　换能器和发生器

　　超声清洗系统最重要的部分是换能器。现存两种换能器，一种是磁力换能器，由镍或镍合金制成;一种压电换能器，由锆钛酸铅或其他陶瓷制成。

　　将压电材料放入电压变化的电场中时，它会发生变形，这就是所谓的"压电效应"。相对来说，磁力换能器是用会在变化的磁场中发生变形的材料制成的。无论使用何种换能器，通常最基本的因素为其产生的空化效应的强度。

　　超声波和其它声波一样，是一系列的压力点，即一种压缩和膨胀交替的波(如下图示)。如果声能足够强，液体在波的膨胀阶段被推开，由此产生气泡;而在波的压缩阶段，这些气泡就在液体中瞬间爆裂或内爆，产生一种非常有效的冲击力，特别适用于清洗。这个过程被称做空化作用。声波的压缩和膨胀从理论析，爆裂的空化泡会产生超过10,000 psi的压力和20,000 °F (11,000 °C) 的高温，并在其爆裂的瞬间冲击波会迅速向外辐射。单个空化泡所释放的能量很小，但每秒钟内有几百万的空化泡同时爆裂，累计起来的效果将是非常强烈的，产生的强大的冲击力将工件表面的污物剥落，这就是所有超声清洗的特点。 如果超声能量足够大，空化现象会在清洗液各处产生，所以超声波能够有效清洗微小的裂缝和孔。空化作用也促进了化学反应并加速了表面膜的溶解。然而只有在某区域的液体压力低于该气泡内气体压力时才会在该区域产生空化现象，故由换能器产生的超声波振幅足够大时才能满足这一条件。产生空化所需的**功率被称做空化临界点。不同的液体存在不同的空化临界点，故超声波能量必须超过该临界点才能达到清洗效果。也就是说，只有能量超过临界点才能产生空化泡，以便进行超声清洗。

　　频率的重要性

　　当工作频率很低(在人的听觉范围内)就会产生噪音。当频率低于20kHz时，工作噪音不仅变得很大，而且可能超出职业安全与保健法或其他条例所规定的安全噪音的限度。在需要高功率去除污垢而不用考虑工件表面损伤的应用中，通常选择从20kHz到30kHz范围内的较低清洗频率。该频率范围内的清洗频率常常被用于清洗大型、重型零件或高密度材料的工件。洁康公司 提供20KHz的磁力换能器和25KHz的压电换能器Cavitation Strength Relative to 40 kHz 高频通常被用于清洗较小、较精密的零件，或清除微小颗粒。高频还被用于被工件表面不允许损伤的应用。使用高频可从几个方面改善清洗性能。随着频率的增加，空化泡的数量呈线形增加，从而产生更多更密集的冲击波使其能进入到更小的缝隙中。如果功率保持不变，空化泡变小，其释放的能量相应减少，这样有效地减小了对工件表面的损伤。高频的另一个优势在于减小了粘滞边界层(泊努里效应)，使得超声波能够&＃39;发现&＃39;极细小的微粒。这种情况近似于小溪中水位降低时可以看清溪底的小石子。杭州超音速公司提供了一系列中间频率的产品，有40kHz、80kHz、120kHz和170kHz。清洗极微小的颗粒时，可选用频率为350kHz的产品。洁康公司近来推出了用于此类场合的MicroCoustics系统，其频率为400kHz。

　　优点

　　高精度由于超声波的能量能够穿透细微的缝隙和小孔，故可以应用与任何零部件或装配件的清洗。被清洗件为精密部件或装配件时，超声清洗往往成为能满足其特殊技术要求的的清洗方式;快速超声清洗相对常规清洗方法在工件除尘除垢方面要快得多。装配件无须拆卸即可清洗。超声清洗可节省劳动力的优点往往使其成为最经济的清洗方式;一致无论被清洗件是大是小，简单还是复杂，单件还是批量或在自动流水线上，使用超声清洗都可以获得手工清洗无可比拟的均一的清洁度。

　　超声清洗工艺

　　在购买清洗系统之前，应对被清洗件做如下应用分析:明确被洗件的材料构成、结构和数量; 分析并明确要清除的污物; 决定所要使用的清洗方法，判断应用水性清洗液还是用溶剂，最终需做清洗实验。 只有这样，才能提供合适的清洗系统、设计合理的清洗工序以及清洗液。

　　化学药剂的选择

　　考虑到清洗液的物理特性对超声清洗的影响，其中蒸汽压、表面张力、黏度以及密度应为最显著的影响因素。温度能影响这些因素，所以它也会影响空化作用的效率。任何清洗系统必须使用清洗液。水性系统通常由敞口槽组成，工件浸没其中。而复杂的系统会由多个槽组成，并配备循环过滤系统、冲淋槽、干燥槽以及其它附件。对于使用溶剂的系统，多为超声波汽相除油脂清洗机，常配备废液连续回收装置。超声波汽相清除油脂过程是由溶剂蒸发槽和超声浸洗槽组成的集成式多槽系统完成的。在热的溶剂蒸汽和超声激荡共同作用下，油、脂、蜡以及其他溶于溶剂的污垢就被除去。经过一系列清洗工序后下料的工件发热、洁净、干燥。

　　选择清洗液时，应考虑以下三个因素:

　　清洗效率:选择最有效的清洗溶剂时，一定要作实验。如在现有的清洗工艺中引入超声，所使用的溶剂一般不必变更;

　　操作简单:所使用的液体应安全无毒、操作简单且使用寿命长;

　　成本:最廉价的清洗溶剂的使用成本并不一定。使用中必须考虑到溶剂的清洗效率、安全性、一定量的溶剂可清洗多少工件利用率等因素。当然，所选择的清洗溶剂必须达到清洗效果，并应与所清洗的工件材料相容。水为最普通的清洗液，故使用水基溶液的系统操作简便、使用成本低、应用广泛。然而对于某些材料以及污垢等并不适用于水性溶液，那么还有许多溶剂可供选用。

　　清洗件处理

　超声清洗的另一个考虑因素是清洗件的上、下料或者说是放置清洗件的工装的设计。清洗件在超声清洗槽内时，无论清洗件还是清洗件篮都不得触及槽底。清洗件总的横截面积不应超过超声槽横截面积的70%。橡胶以及非刚化塑料会吸收超声波能量，故将此类材料用于工装时应谨慎。绝缘的清洗件也应引起特别注意。工装篮设计不当，或所盛工件太重，纵使的超声清洗系统的效率也会被大大降低。任何材料，如果网眼高于50目，对于超声波就表现出实体的性能，将超声波反射回去。当网眼大于1/4英寸时，对于超声波才表现出开放式材料的性能。钩子、架子以及烧杯都可用来支持清洗件。

　　超声法去眼袋是目前的无创无痕去眼袋手术方法。其手术的过程中，不会有任何后遗症和副作用，手术时间只需要20分钟就可以轻松搞定。超声法去眼袋不会影响上班和工作，手术的感觉就像按摩一样，不会留下疤痕，

　　超声波去眼袋原理

　　利用超声共振乳化原理将眼袋脂肪乳化后通过特制眼膜促进液化后的脂肪被吸收干净。

　　具体的实施方法:

　　超声法去眼袋仪器从研究到重庆超雅运用于去眼袋服务."超声波"是一种声波在超声法去眼袋过程中，主要负责眼袋脂肪的液化和杀死眼袋脂肪.

　　"超声波去眼袋"是利用超声波的"空化效应"和"共振原理"来去眼袋的。任何一种人体细胞都有个固定的"超声波振动频率"，而不同的细胞超声共振频率不同，当超声波仪器发出的超声振动频率与眼袋脂肪细胞频率相同时就会发生共振反应，周围的其他组织细胞并不会发生任何反应，当这个共振反应到达一定的能量密度时就会出现超声空化效应，这样在空化效应的作用下脂肪细胞就会破裂，导致脂肪细胞死亡，此时脂肪细胞内大量的细胞液和脂肪滴就会从破裂的流出来，混合形成乳化的脂肪，此过程即是超声波乳化脂肪。实现了目标:"利用超声波破坏眼袋脂肪并使其液化"。去眼袋后，液化脂肪的吸收并不是几个小时就能全部完成的，因此术后第2天还会有一点肿胀，一般情况，肿胀程度介于有眼袋和无眼袋之间(部分脂肪已经吸收)，要全部吸收需要3-4天左右。

　　测距原理

　　超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即:s=340t/2 。这就是所谓的时间差测距法。

　　超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。

　　测距的公式表示为:L=C×T

　　式中L为测量的距离长度;C为超声波在空气中的传播速度;T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。

　　超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。

　　由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。

　　超声波测距误差分析

　　根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。

　　时间误差

　　当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20℃室温)，忽略声速的传播误差。测距误差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907μs。

　　在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。

　　超声波传播速度误差

　　超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系，如表1所示。

　　已知超声波速度与温度的关系如下:

　　式中: r -气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40，

　　R -气体普适常量，8.314kg·mol-1·K-1，

　　M-气体分子量，空气为28.8×10-3kg·mol-1，

　　T -温度，273K+T℃。

　　近似公式为:C=C0+0.607×T℃

　　式中:C0为零度时的声波速度332m/s;

　　T为实际温度(℃)。

　　对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如当温度0℃时超声波速度是332m/s, 30℃时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5mm。

　　测距原理的应用

　　超声波物位计:超声波物位计安装于容器上部，在电子单元的控制下，探头向被测物体发射一束超声波脉冲。声波被物体表面反射，部分反射回波由探头接收并转换为电信号。从超声波发射到被重新被接收，其时间与探头至被测物体的距离成正比。电子单元检测该时间，并根据已知的声速计算出被测距离。用探头到罐底的距离-探头到液位的距离 =实际液位或者物位高度。把液位高度转换成4~20mA电流信号、1~5V电压信号输出。或者通过485通信，Hart通信，GPRS通信传输到控制中心。

　　超声波的危害

　　人长期受到超声的影响，会引起人体组织轻微的发热;当频率更高时，发热就会越发厉害，使人体内水分子被烧，周围的组织遭到破坏，长时间如此就有危险。因此大功率高强度的超声波持续作用于人体是有害的;小功率超声波间歇作用于人体却是有益的。就相当于有人给你轻轻捶背你会感到舒服，但重击你时你会感到疼痛甚至是伤害。