近代聲學特點及主要研究內容-賀西平

1、主講教師：賀西平陜西師范大學物理與信息技術學院專題十五 近代聲學的主要應用技術（知識點三）知識點三：近代聲學的主要應用技術 1. 超聲在工業(yè)上的應用1.2 超聲檢測和無損評價1.1 大功率超聲的工業(yè)應用2. 光聲學與激光超聲3. 聲電子技術4. 生物醫(yī)學超聲5. 語言信息處理6. 水聲信號處理技術7. 環(huán)境聲學8. 電聲系統(tǒng)及其應用1. 超聲在工業(yè)上的應用 1.1大功率超聲的工業(yè)應用聲化學和聲空化利用大功率超聲波在液體中產(chǎn)生的空化效應，可改變物質的性質和狀態(tài)空化：液體中的微小氣泡核（微米級以下的小氣泡）在超聲波作用下產(chǎn)生振動，當聲壓（或者說超聲波能量密度）達到一定值時，負壓時氣泡將迅速膨脹，正

2、壓時收縮，此后或進入振動狀態(tài),或迅速閉合崩潰。氣泡閉合時將產(chǎn)生沖擊波，稱為空化。其特點是氣泡在急劇崩潰時會釋放出巨大的能量，有強沖擊力的微射流出現(xiàn)，伴隨產(chǎn)生有高溫高壓，形成所謂的空化效應。常用的聲化學反應器有l(wèi)變幅桿浸入式聲化學反應器l 清洗槽式聲化學反應器l 液哨式聲化學反應器l 杯式聲化學反應器l 平行板式反應器l 管型反應器變幅桿浸入式化學反應器清洗槽式化學反應器液哨式聲化學反應器平行板近場聲化學反應器管形化學反應器例：污水處理、水消毒 n 空化可降解廢水中 有毒有機污染物， 將水體中有害有機 物轉變?yōu)镃O2， H2O、無機離子或 轉變?yōu)楸仍袡C物毒性小的物質n 簡便、高效、無二 次污染

3、等特點n 與紫外、氯化、化 學殺菌劑聯(lián)合使用， 效果更佳l利用超聲來加速化學反應，增加反應產(chǎn)率和引發(fā)新的 化學反應等l聲化學技術在生產(chǎn)上可望為合成塑料、洗滌劑、制劑和化肥等化工工業(yè)方面帶來重大變革，已受到化工生產(chǎn)行業(yè)的極大關注l超聲波可實現(xiàn)乳化、脫氣以及使高分子分解和聚合，促進化學反應等 超聲波細胞粉碎機 利用強超聲在液體中產(chǎn)生空化效應，對物質進行超聲處理，能對多種動植物細胞、病毒細胞破碎，也可用來進行乳化、分離、勻化、提取、消泡、清洗等等。被廣泛應用于生物化學、微生物學、藥物化學、表面化學、物理學、動物學等領域超聲波細胞粉碎機 超聲清洗可用于幾何形狀復雜、清洗質量要求高而用其它方法清洗效果差

4、的中小精密零件，特別是工件上的深小孔、微孔、彎孔、盲孔、溝槽、窄縫等部位的精清洗，生產(chǎn)率和凈化率都很高。 如對電子零件、電鍍、五金、鐘表、機械、表帶、工具、光學鏡片、珠寶首飾、眼鏡架、半導體硅片、噴絲板過濾芯及玻璃器皿等的清洗清洗機機槽及換能器清洗機機槽及換能器 超聲提取中藥材主要成份l 空化使植物細胞壁及 整個生物體破裂，利 于有效成分溶出l 超聲波振動可加速介質質點運動l 振動使樣品萃取更均勻超聲提取機超聲換能器把電能轉換為一定模式的機械振動（如縱彎），后利用定子(振動著的彈性體)與轉子(或滑塊)表面間的摩擦力使轉子轉動或移動。超聲馬達，具有體積小、響應快、制動快、精度高和抗電磁干擾等性能

5、，可用于照相機、傳真機、打印機等設備中變焦、傳送紙張等超聲馬達的3D運動 圖 4.1.1 超 聲 行 波 馬 達 的 基 本 原 理 Z 滑 塊 移 動 方 向 質 點 振動 軌 跡 聲 波 傳 播 方 向 X Y 直線型超聲馬達 超聲馬達l利用直徑1毫米的超聲馬達制造出來的血管機器人，在直徑為34毫米的血管里，活動得更加靈活，使血栓類疾病的治療變得更加簡單。這種小馬達也可以用在胃鏡中，制成體積更小的攝像頭。將其用在國防上，則可以生產(chǎn)出更小的微型飛機，更方便、更隱蔽地收集信息，而不必擔心被對方識別 l清華大學物理系聲學研究室研制出了直徑為1毫米的超聲馬達 將超聲振動能量傳遞到兩個焊體表面，在加

6、壓的情況下， 使兩焊件表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合 超聲金屬焊接超聲金屬焊接可焊接一般很難可互焊的稀有金屬，如鈦、鉬等Static ForceHorn/SonotrodeTransducerAnvilWorkpiecesVibrationPower SupplyLateral Drive SystemBoosterStatic ForceSonotrodeVibrationWorkpiecesAnvilWeld ZoneWeld zoneAsperitiesOxideMetal可焊接一般很難焊接的稀有金屬，如鈦、鉬等超聲金屬焊接優(yōu)點l固態(tài)形式焊接,不需外部加熱，焊接時間短l對工件表面清潔

7、度要求不高，環(huán)保不產(chǎn)生污染物l薄厚金屬可搭接焊，同種和不同種金屬間均可焊 l處理超聲焊接無需助焊劑、金屬填料l壓力較小，與電氣焊相比耗費能量少l焊接時間短，容易自動化超聲波金屬焊接缺點l只適用于搭接接頭，焊接厚度受限l不相熔的金屬不能焊接l有一定噪聲產(chǎn)生能量導引體處產(chǎn)生的應變、熱量最大 超聲塑料焊接超聲塑料焊接優(yōu)點l 速度快，一般少于1sl 無污染l 適用于一般的熱塑性塑料l 相對低的焊接成本l 焊接后粘接強度高l 易自動化缺點l 不能大尺度焊接，幾何尺寸受限l 焊前需要設計焊點超聲塑料焊接焊前焊后 超聲波在脆硬材料（如玻璃、陶瓷、石英、硅、瑪瑙、寶石、金剛石等）上可加工圓孔、型孔、型腔、套料

8、、微細孔等.需要工作液 、磨料 、 循環(huán)系統(tǒng)超聲打孔、雕刻 超聲雕刻、打孔、拋光等加工處理l 霧滴大小(1-5微米)與超聲頻率及聲強有關l 800kHz3MHzl 霧化也可用于制備金屬粉末 超聲波使液體表面隆起，在隆起的液面周圍發(fā)生空化，使液體直接霧化成小分子的氣霧。利用超聲霧化可使藥物分子氣霧后直接進入毛細血管或肺泡，達到治療的目的。適用于感冒、過敏性鼻炎、鼻塞等。優(yōu)點是不需加熱或添加任何化學試劑 超聲霧化超聲霧化l 在需干燥物表面空化后形成超聲噴霧l 空化使水產(chǎn)生氧化羥基，并破壞細菌的膜結構：枯草芽孢桿菌、大腸桿菌、李氏特菌、沙門菌、葡萄球菌、鏈球菌等等超聲干燥 超聲干燥、消毒1. 超聲在

9、工業(yè)上的應用 1.2超聲檢測和無損評價 物體內部的不均勻性，如氣泡、裂痕、夾雜、疏松、位錯或脫粘等缺陷，會引起超聲波強度不同的反射信號 多普勒效應可測流體的流速、流量；回波可測厚度、液位；聲速的變化可測粘度、應力、溫度等 超聲無損評價(或超聲檢測)與電磁波、X光及粒子探測技術并列為探索物質結構的四大技術聲波在材料中的傳播時，其聲速隨應力和溫度而變化；聲波在不同物體內的衰減程度不一樣。利用這些屬性可對物質進行評價，如對金屬材料的多晶顆粒、殘余應力大小進行評價，可獲得安全使用金屬材料的信息 適用于金屬和部分非金屬材料的無損檢測，尤其適用于流動性大的野外或高空作業(yè)探傷，可作為無損檢測人員資格考核用標

10、準化儀器 目前通常采用的脈沖反射法.超探儀是一種便攜式工業(yè)無損探傷儀器，它能夠快速便捷、無損傷、精確地進行工件內部多種缺陷（裂紋、夾雜、折疊、氣孔、砂眼等）的檢測、定位、評估和診斷超聲探傷儀 超聲探傷A型超聲探傷反射波形型超聲探傷反射波形裂紋裂紋監(jiān)測設備構件內部及表面缺陷。探頭向試件發(fā)射縱波(垂直探傷)或橫波(斜向探傷)，并接收從缺陷處傳回的反射波 穿透法 兩個探頭分別置于被測試件相對的兩個側面。穿透法又叫透射法，根據(jù)超聲波穿透工件后的能量變化來判斷工件內部有無缺陷。根據(jù)接收到超聲波能量的大小判斷缺陷位置及大小 脈沖反射法收發(fā)探頭發(fā)射超聲脈沖到被測工件，遇到缺陷時產(chǎn)生反射，由反射信號大小及在顯

11、示器上的位置判斷缺陷大小及深度 A型超聲波探傷(反射法） 起始波 缺陷反射波 底波工件缺陷 利用超聲波穿過流動的流體時，沿著順流方向和逆流方向的傳播速度不同，而產(chǎn)生時間差的原理，設計制造出來的。廣泛的應用于管網(wǎng)給排水、電廠鍋爐給水、食品加工清洗用水、紙廠用水、地熱取水、地下取水以及化工廠腐蝕性高粘度的化學液體的計量 F1發(fā)射的超聲波先到達 T1超聲波流量計 智能超聲波流量計 測得在一定時間間隔內相對于移動物體的兩次超聲回波的時間，可知這兩次超聲波傳播的距離差，路程除以時間間隔就是移動物體的速度超聲波測量車速 超聲多普勒測量車速 激光超聲的產(chǎn)生：當強度調制的低功率密度的激光束照射于物質(包括氣體

12、、液體和固體)時，物質吸收光能導致局部溫升，激發(fā)出縱波、橫波和表面波；或者高功率密度的激光照射導致材料熔化、氣化，將有一小部分表面物質被噴射出來，從而給材料表面施加了一個非常高的反作用力導致聲波產(chǎn)生傳感器和光學法接收產(chǎn)生的超聲實現(xiàn)檢測：有缺陷的樣品與無缺陷的樣品波形變化非常明顯，因缺陷的存在改變了激光激勵超聲的邊界條件。若能與紅外照相(熱像)技術相結合而發(fā)展為熱脈沖回波成像技術將更好。適合于對航空、航天飛機、輸氣、輸油管道等大型機件的非接觸式大面積的無損檢測2. 激光超聲 聲表面波器件可對信號完成傳遞、延遲、濾波、展寬、壓縮、移頻、調制、解調、開關、放大、編碼、解碼、卷積相關、倒譜分析、富氏變

13、換及其他數(shù)學變換等信號處理功能 聲表面波器件廣泛應用于通訊、雷達、電子對抗、電視廣播、光電子學以及傳感控制等領城。目前主要是幾十兆赫至幾百兆赫頻段3. 聲電子技術 超聲與X光、核磁共振成為醫(yī)學三大診斷手段 超聲診斷在醫(yī)院中已普遍推廣，許多疾病都可由超聲診斷儀(如A型掃描儀，B型超聲斷面顯像儀，多普勒血流圖等等)早期發(fā)現(xiàn) 超聲治療：利用超聲的熱效應、振動效應以及由強振動引起的空化效應超聲外科手術：超聲手術刀代替通常的手術刀，切除人體病變組織4. 生物醫(yī)學超聲 B超診斷儀 掃描聲成像是通過掃描從不同位置“照明”物體和接收含有物體信息的聲信號，經(jīng)過相應的適當處理，獲得與聲束方向一致的物體的切面回聲圖

14、，并在熒光屏上顯示可見圖像B超診斷儀 超聲治療原理 可調控的超聲能量穿透至病變部位并聚積，由表及里，從里到外的治療，精確定位，表皮無損傷 病變組織細胞在超聲波的熱效應、機械效應、空化效應作用下發(fā)生可逆改變、恢復功能 不可逆改變的組織細胞凝固壞死超聲治療儀 超聲手術刀：出血少、對周圍組織傷害小、術后恢復快，主要有超聲切骨、白內障乳化、吸脂等l應用超聲波的“切割效應”及“空化效應”將白內障晶體破碎乳化后吸出眼外，植入人工晶體，以恢復視力。超聲乳化術是目前世界上最先進的白內障手術 超聲乳化去除白內障A.語言識別: 旅行信息查詢、飛機訂票、城市查勘以及辦公室管理等特殊應用場合的語言識別和語言理解系統(tǒng)都

15、取得了較好的效果B.語言合成: 語音合成是通過機械的、電子的方法產(chǎn)生人造語音的技術。例如，可為殘疾人提供朗讀或助講等等 5. 語言信息處理 聲波是唯一能在海水中有效地進行遠距離信息傳遞的載體 所有的水下探測、通訊、導航、遙控等活動都離不開聲學6. 水聲信號處理技術主動聲納 典型的主動聲吶陣列被動聲納 潛艇噪聲測量用陣列 聲信號的處理和分析經(jīng)常借鑒其他學科中的方法和技術，是較早應用數(shù)字技術的學科，如FFT(快速傅里葉變換),短時傅里葉變換及時頻分析、數(shù)字濾波技術、小波變換、陣列信號處理等. 被動拖曳陣列聲吶 環(huán)境科學是當前研究的前沿熱點之一，其中環(huán)境聲學由于人類生存條件的變化，引起了很大的重視

16、為了改善廳堂內音質及隔絕室外噪聲，對吸聲材料和隔聲材料進行了理論和實驗研究 噪聲控制，一般采取隔絕的方式，近年來則發(fā)展有源消噪和減振的方式，即人為地有目的地產(chǎn)生次級聲振動信號去抵消原有噪聲，從而達到消噪和除噪的目的。 如耳鳴干擾器、掩蔽聲等7. 環(huán)境聲學 小孔消聲器是控制空氣動力性噪聲往外傳播的有效設備，在內部作聲學處理后，可以大大降低噪音的產(chǎn)生和傳播，且不影響氣流通過。安裝消聲器后，設備消聲量可達到20-40dB(A)，主觀感覺響度相應降低50-90%的效果小孔消聲器 槍的聲音主要來自子彈出堂，空氣沖出槍口是巨大的壓力 對外面的空氣引起的沖擊震動消音器 傳聲器(話筒)和揚聲器(喇叭)，除音質好之外，對外形(如小型化)等也有特殊要求。例如，要求揚聲器(喇叭)同時承受功率大、動態(tài)范圍