超声波用途浅析

梅 丽

山东工业职业学院，山东 淄博 256414

超声波是一种机械波，是机械振动在弹性介质中的传播过程，其频率超过20kHz。超声波的频率越高，声场的指向性越好，能量越集中。超声波检测是利用不同介质的不同声学特性对超声波的影响来探查物体和进行测量的一门技术。近几十年来超声波检测技术在许多领域广泛应用，下面针对超声波的一些主要用途及其原理作简要分析。

1 工业方面

超声波在工业方面有着广阔的用途。如：可以用超声波进行金属探伤，流量检测，物位检测，厚度、密度的检测以及防盗报警等。

1）超声波探伤是无损探伤技术中的一种主要检测手段。它主要用于检测板材、管材、锻件和焊缝中的缺陷（如裂缝、气孔、夹渣等）、测定材料的厚度、检测材料的晶粒、配合断裂力学对材料使用寿命进行评价等。

超声波探伤有脉冲反射法、穿透法、串列法等，最常用的还是脉冲反射法。而脉冲反射法根据波型不同又分为纵、横、表面波探伤。我们通过探伤仪的荧光屏图像可知工件中是否存在缺陷、缺陷大小及缺陷位置。工作时探头放于被测工件上来回移动进行检测，探头发出的超声波，以一定的速度向工件内部传播，若工件中没有缺陷，则超声波传到工件底部便产生反射，在荧光屏上只出现始脉冲和底脉冲。若工件中有缺陷，在荧光屏上除了始脉冲和底脉冲外，还出现缺陷脉冲。荧光屏上的水平亮线为扫描线，其长度与工件的厚度成正比，通过缺陷脉冲在荧光屏上的位置和脉冲幅度的高低来判断缺陷在工件中的位置和大小。

2）超声波流量检测可实现非接触测量。探头可装在被测管道的外壁，既不干扰流场，又不受流场参数的影响。一般是在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头，其中一对是顺流传播，另一对逆流传播。根据这两束超声波在流体中传播的速度不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差、相位差或频率差等方法，可测出流体的平均流速及流量。

3）超声波测量液位和物位是根据声波脉冲反射原理。分成液介式和气介式两种。原理相似，都是利用了回波测距方法，即根据超声波在液体或气体中的往返时间测出液位和物位的。

4）超声波防盗报警是利用了多普勒效应。超声波发射和接收探头装在同一块线路板上，发射探头发射出40kHz左右的连续超声波，若有人以相对速度v进入信号的有效区域，从人体反射回来的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移△f，接收探头将收到两个不同频率所组成的差拍信号（40kHz，40kHZ±△f）。差拍信号经放大、检波后滤去40kHz信号，而留下△f的多普勒信号。此信号放大后，由检波器变为直流电压，去控制报警喇叭或指示器。

2 环保去污方面

超声波在环保去污方面用的也越来越多。超声波可用来进行有机污水降解、污垢处理、空气加湿等。要讨论这些方面的应用首先简要介绍一下自由基理论和超声波的空化理论。

1）自由基理论：自由基，化学上也称为“游离基”，是指能够独立存在的，含有一个或多个未成对电子的分子或分子的一部分，具有很高的反应活性。由于自由基中含有未成对电子，具有配对的倾向。因此大多数自由基都具有高度的化学活性。自由基的配对反应过程，又会形成新的自由基，形成连锁反应。

2）空化理论：超声空化是强超声在液体中引起的一种特有的物理现象。是指液体中的微小泡核在超声波作用下被激活，它表现为泡核的振荡、生长、收缩至崩溃等一系列动力学过程。超声波在介质中的传播过程中存在着一个正负压强的交变周期，它将引起媒质分子以其平衡位置为中心的振动。在正压相位时，超声波对介质分子挤压，分子间的平均距离减小，增大了液体介质原来的密度；而在负压相位时，过程恰好与之相反。当用足够大振幅的超声波作用于液体介质时，在负压区内介质分子间的平均距离会超过使液体介质保持不变的临界分子距离，液体介质就会发生断裂，形成微泡，微泡进一步长大成为空化气泡。在紧接着的压缩过程中，这些空化气泡被压缩，其体积缩小，有的甚至完全消失。当脱出共振相位时，空化气泡就不再稳定了，这时空化气泡内的压强已不能支撑其自身的大小，即开始溃陷或消失，这一过程称为空化作用。

在超声空化过程中，除了能产生具有强氧化能力的自由基以外，在空化泡瞬间崩溃时还会产生高温和高压。空化泡内的水蒸汽在高温、高压下裂解为0H、H自由基以及次级自由基OOH等。部分自由基又会结合形成H2O2，空化泡崩溃产生的冲击波和射流使这些自由基和H2O2进入本体溶液。

3）有机污水降解：近年来通过超声空化与其它技术联合处理污水中的化学污染物，尤其是难降解的有机污染物，已获得了许多有价值的研究成果。超声降解水体中的有机污染物是物理—化学降解过程，液体的超声空化是集中能量并迅速释放的过程，即液体在超声辐射下产生空化气泡，这些空化气泡吸收能量并在极端时间内崩溃释放。空化气泡相当于一个具有极端物化条件和含有较高能量的微反应器，很高的流体剪切力，自由基反应及化学转化，高温高压等将气泡内的气体和液体交界面的介质加热分解，并产生0H、H自由基以及次级自由基OOH等强度很高的氧化物质，从而引起有机污染物的降解。当然也有一些因素影响超声降解，如溶解气体、pH值、反应温度、超声功率强度和超声波频率等。

（1）溶解气体

溶解气体的存在可提供空化核、稳定空化效果、降低空化阈。

（2）pH值

对于有机酸碱性物质的超声降解，溶液pH值具有较大影响。当溶液pH值较小时，有机物质在水溶液中以分子形式存在为主，容易接近空化泡的气液界面，并可以蒸发进入空化泡内，在空化泡内直接热解；同时又可以在空化泡的气液界面上和本体溶液中同空化产生的自由基发生氧化反应，降解效率高。当溶液pH值较大时，有机物质发生电离以离子形式存在于溶液中，不能蒸发进入空化泡内，只能在空化泡的气液界面上和本体溶液中同自由基发生氧化反应，降解效率较低。超声降解发生在空化核内或空化气泡的气液界面处，离子不易接近气液界面，很难进入空化泡内，因此，溶液的pH值调节应尽量有利于有机物以中性分子的形态存在并易于挥发进入气泡核内部。

（3）温度

温度对超声空化的强度和动力学过程具有非常重要的影响，从而造成超声降解的速率和程度的变化。温度提高虽有利于加快反应速度，但超声诱导降解主要是由于空化效应而引起的反应，温度过高时，在声波负压半周期内会使水沸腾而减小空化产生的高压，同时空化泡会立即充满水汽而降低空化产生的高温，因而降低降解效率。所以低温(小于20℃)较为有利于超声降解。因此，一般都在室温下进行。

（4）超声波频率

并非频率越高降解效果越好。超声频率与有机污染物的降解机理有关，以自由基为主的降解反应存在一个最佳频率；以热解为主的降解反应，当超声声强大于空化阈值时，随着频率的增大，声解效率提高。

（5）超声功率强度

超声功率强度是指单位声发射端面积在单位时间内辐射至反应系统中的总声能，一般以单位辐照面积上的功率来衡量。一般来说，超声功率强度越大越有利于降解反应，但过大时又会使空化气泡产生屏蔽，因此要选择功率强度合适的超声波。

超声波技术具有简便、高效、无污染或少污染的特点，是近年来发展的一项新型水处理技术。当然超声处理是一个极其复杂的过程。不同物化性质的有机污染物，因降解机理不同，超声降解的效果也存在差异。利用超声空化技术，只有针对具体的有机污染物，优化反应操作条件才能获得最佳的超声降解效果。

4）污垢处理、空气加湿方面也同样是利用了超声波的空化理论。

超声波在液体中传播产生一个很大的压力，将液体分子拉裂成空化核。此空化核非常接近真空，它在超声波压强反向达到最大时破裂，由于破裂而产生的强烈冲击可将物体表面的污物撞击下来。

空气加湿是超声波传到与其接触的液体，使液体表面产生隆起，并在隆起的周围发生空化作用，空化产生的冲击波将以振子的振动频率不断反复，使液体表面产生有限振幅的表面张力波。这种张力波的波峰飞散，使液体雾化。

3 其它方面

当然超声波的用途还有很多。如众所周知的医学方面，医学超声波检查的工作原理与声纳有一定的相似性，即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、曲线或影像特征来辨别它们。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。

目前，医生们应用的超声诊断方法有不同的形式，可分为A、B、M及D型4大类。A型是以波形来显示组织特征的方法，主要用于测量器官的径线，以判定其大小。B型是用平面图形的形式来显示被探查组织的情况。其原理是将人体界面的反射信号转变为强弱不同的光点，这些光点可通过荧光屏显现出来，这种方法非常直观。M型是用于观察活动界面随时间变化的一种方法。最适用于检查心脏的活动情况，其曲线的动态改变称为超声心动图。D型是专门用来检测血液流动和器官活动的一种超声诊断方法，又称为多普勒超声诊断法。超声波技术正在医学界发挥着巨大的作用，随着科学的进步，它将更加完善，将更好地造福于人类。

另外超声波在电子行业、机电行业、轻纺行业、表面处理行业、军事装备领域、电镀和喷涂、金属焊接业、美容行业等都有广泛应用。它的涉及领域将越来越宽，更有待于我们进一步去拓展和发现。

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