超聲波的應(yīng)用及危害

1、超聲波的應(yīng)用及危害一、超聲波簡介我們知道，當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)出聲音。科學(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。聲波頻率為2020,000赫茲時(shí)，我們?nèi)祟惗淠軌蚵牭?；?dāng)聲波的振動(dòng)頻率大于20000赫茲或小于20赫茲時(shí)，我們便聽不見了。我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。由于超聲波的頻率高，因此具有以下特點(diǎn)：（a）方向性好（幾乎沿直線傳播），能量易于集中；（b）穿透能力強(qiáng)，可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播，且可傳播足夠遠(yuǎn)的距離；（c）在媒質(zhì)中傳播時(shí)能產(chǎn)生巨大的作用力，如在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化現(xiàn)象。二、超聲波的應(yīng)用超聲效應(yīng)已廣泛用

2、于實(shí)際，主要有如下幾方面：超聲檢驗(yàn)：超聲波的波長比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過不透明物質(zhì)，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測(cè)厚、測(cè)距、遙控和超聲成像技術(shù)。超聲成像是利用超聲波呈現(xiàn)不透明物內(nèi)部形象的技術(shù)。把從換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)聲透鏡聚焦在不透明試樣上，從試樣透出的超聲波攜帶了被照部位的信息（如對(duì)聲波的反射、吸收和散射的能力），經(jīng)聲透鏡匯聚在壓電接收器上，所得電信號(hào)輸入放大器，利用掃描系統(tǒng)可把不透明試樣的形象顯示在熒光屏上。上述裝置稱為超聲顯微鏡。超聲成像技術(shù)已在醫(yī)療檢查方面獲得普遍應(yīng)用，在微電子器件制造業(yè)中用來對(duì)大規(guī)模集成電路進(jìn)行檢查，在材料科學(xué)中用來顯示合金中不同組分的區(qū)域和晶

3、粒間界等。聲全息術(shù)是利用超聲波的干涉原理記錄和重現(xiàn)不透明物的立體圖像的聲成像技術(shù)，其原理與光波的全息術(shù)基本相同，只是記錄手段不同而已（見全息術(shù)）。用同一超聲信號(hào)源激勵(lì)兩個(gè)放置在液體中的換能器，它們分別發(fā)射兩束相干的超聲波：一束透過被研究的物體后成為物波，另一束作為參考波。物波和參考波在液面上相干疊加形成聲全息圖，用激光束照射聲全息圖，利用激光在聲全息圖上反射時(shí)產(chǎn)生的衍射效應(yīng)而獲得物的重現(xiàn)像，通常用攝像機(jī)和電視機(jī)作實(shí)時(shí)觀察。超聲處理：利用超聲的機(jī)械作用、空化作用、熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，可進(jìn)行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、滅菌、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和進(jìn)行生物學(xué)研究等，在工礦業(yè)、農(nóng)

4、業(yè)、醫(yī)療等各個(gè)部門獲得了廣泛應(yīng)用?；A(chǔ)研究：超聲波作用于介質(zhì)后，在介質(zhì)中產(chǎn)生聲弛豫過程，聲弛豫過程伴隨著能量在分子各自電度間的輸運(yùn)過程，并在宏觀上表現(xiàn)出對(duì)聲波的吸收（見聲波）。通過物質(zhì)對(duì)超聲的吸收規(guī)律可探索物質(zhì)的特性和結(jié)構(gòu)，這方面的研究構(gòu)成了分子聲學(xué)這一聲學(xué)分支。普通聲波的波長遠(yuǎn)大于固體中的原子間距，在此條件下固體可當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)。但對(duì)頻率在1012赫以上的特超聲波，波長可與固體中的原子間距相比擬，此時(shí)必須把固體當(dāng)作是具有空間周期性的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。點(diǎn)陣振動(dòng)的能量是量子化的，稱為聲子（見固體物理學(xué)）。特超聲對(duì)固體的作用可歸結(jié)為特超聲與熱聲子、電子、光子和各種準(zhǔn)粒子的相互作用。對(duì)固體中特超聲的產(chǎn)生、檢測(cè)

5、和傳播規(guī)律的研究，以及量子液體液態(tài)氦中聲現(xiàn)象的研究構(gòu)成了近代聲學(xué)的新領(lǐng)域。具體的應(yīng)用實(shí)例如：一、超聲波空泡煉油液體內(nèi)部產(chǎn)生的強(qiáng)超聲波引發(fā)出高能量密集式空泡群,空泡爆炸時(shí),在微小的空間內(nèi)瞬間產(chǎn)生高達(dá)一千大氣壓的壓力和上千度的高溫。在高壓高溫下，重油分子中C-C鍵斷裂，大分子的碳?xì)浠衔锓纸鉃樾》肿拥奶細(xì)浠衔?原料中硫的有機(jī)化物在超聲波與空泡作用下,其C-S鍵發(fā)生斷裂,轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g烯烴、正烷烴、芳烴和硫化氫。生成的烯烴在超聲波熱解過程中轉(zhuǎn)變?yōu)檎闊N和芳烴。含硫份高的重油大分子轉(zhuǎn)化為低硫小分子的汽油和柴油。少量沒有轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)化程度低的剩余物用于制備高品質(zhì)瀝青。二、超聲波提取生物納米（超聲波化學(xué)合成法）

6、超聲波化學(xué)反應(yīng)中，起關(guān)鍵作用的是聲波的空化效應(yīng)，在超聲波的輻照過程中，在液體里將發(fā)生空化氣泡的形成，長大和崩滅，當(dāng)空化氣泡崩滅時(shí)產(chǎn)生一個(gè)覆蓋著的強(qiáng)壓力脈沖，產(chǎn)生許多獨(dú)特的性質(zhì)，例如產(chǎn)生高達(dá)5000K的高溫，大于200Mpa的壓力，以及高達(dá)1010K/p的降溫速度，這就是超聲波化學(xué)合成的能量來源，Kcap,Okitso等將0.5um的oAll/03粉末加入到PdLN.2N3Cl.3H20溶液中，再加入一種對(duì)Pd2,還原起促進(jìn)作用的規(guī)類，然后用20Khz的超聲波輻照，在Al2O2表面合成出10nm左右的Pd納米粒子。三、超聲波制藥（ 1） 注射用醫(yī)藥物質(zhì)的分散將磷脂類與膽固醇混合用適當(dāng)方法與藥物混

7、合在水溶液中，經(jīng)超聲分散，可以得到更小粒子（0.1um左右）供靜脈注射。（ 2） 草藥提取利用超聲分散破壞植物組織，加速溶劑穿透組織作用，提高中草藥有效成分提取率。如金雞納樹皮中全部生物堿用一般方法侵出需5小時(shí)以上，采用超聲分散只要半小時(shí)即可完成。（ 3） 備混懸劑在超聲空化和強(qiáng)烈攪拌下，將一種固體藥物分散在含有表面活性劑的水溶液中，可以形成1um左右口服或靜脈注射混懸劑。例“靜注喜樹堿混懸劑”“肝臟造影劑”、“硫酸鋇混懸劑”。（ 4） 制備疫苗將細(xì)胞或病毒借助于超聲分散將其殺死以后，再用適當(dāng)方法制成疫苗。四、超聲波對(duì)化妝品的分散為了更進(jìn)一步提取藥物精華和粒子微細(xì)化，并節(jié)約生產(chǎn)成本，達(dá)到分散、

8、乳化效果，使化妝品更深入滲透到肌膚里層，讓肌膚很好的吸收，發(fā)揮藥物的效力和作用，采用超聲波乳化可達(dá)到非常理想的效果。采用超聲分散，則不需要使用乳化劑，就能使蠟及石蠟乳化、化妝水等油的微粒子分散。石臘在水中分散的粒子直徑可達(dá)1um以下。五、超聲波對(duì)酒的醇化催陳技術(shù)一瓶美酒以它的酒味醇厚，綿軟柔和、芳香濃郁為人青睞，人們常用陳年老酒來形容酒的珍貴，一瓶上世紀(jì)的陳酒，標(biāo)價(jià)幾萬元，其價(jià)格的含義在于時(shí)間的存放上。酒的主要控制因素是化學(xué)變化即酸的形成，并進(jìn)一步酯化，酯參與乙醇和水的締合。剛出廠的酒含有戍醇，有辛辣味，這種氣味要經(jīng)過很長時(shí)間才能化解，這個(gè)緩慢變化稱酒的醇化。用功率1.6KW頻率17.522K

9、Hz的超聲波處理510min,可使酒的老熟時(shí)間縮短1/3到1/2。六、超聲波在塑料焊接方面的應(yīng)用當(dāng)超聲波作用于熱塑性的塑料接觸面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生每秒幾萬次的高頻振動(dòng)，這種達(dá)到一定振幅的高頻振動(dòng)，通過上焊件把超聲能量傳送到焊區(qū)，由于焊區(qū)即兩個(gè)焊接的交界面處聲阻大，因此會(huì)產(chǎn)生局部高溫。又由于塑料導(dǎo)熱性差，一時(shí)還不能及時(shí)散發(fā)，聚集在焊區(qū)，致使兩個(gè)塑料的接觸面迅速熔化，加上一定壓力后，使其融合成一體。當(dāng)超聲波停止作用后，讓壓力持續(xù)幾秒鐘，使其凝固成型，這樣就形成一個(gè)堅(jiān)固的分子鏈，達(dá)到焊接的目的，焊接強(qiáng)度能接近于原材料強(qiáng)度。超聲波塑料焊接的好壞取決于換能器焊頭的振幅，所加壓力及焊接時(shí)間等三個(gè)因素，焊接時(shí)間和焊

10、頭壓力是可以調(diào)節(jié)的，振幅由換能器和變幅桿決定。這三個(gè)量相互作用有個(gè)適宜值，能量超過適宜值時(shí)，塑料的熔解量就大，焊接物易變形；若能量小，則不易焊牢，所加的壓力也不能太大。這個(gè)最佳壓力是焊接部分的邊長與邊緣每1mm勺最佳壓力之積。超聲波塑料焊接的常用方法有：1、熔接法：超聲波振動(dòng)隨焊頭將超聲波傳導(dǎo)至焊件，由于兩焊件處聲阻大，因此產(chǎn)生局部高溫，使焊件交界面熔化。在一定壓力下，使兩焊件達(dá)到美觀、快速、堅(jiān)固的熔接效果。2、埋植(JS)法：螺母或其它金屬欲插入塑料工件。首先將超聲波傳至金屬，經(jīng)高速振動(dòng)，使金屬物直接埋入成型塑膠內(nèi)，同時(shí)將塑膠熔化，具固化后完成埋插。3、怫接法：欲將金屬和塑料或兩塊性質(zhì)不同的

11、塑料接合起來，可利用超聲波怫接法，使焊件不易脆化、美觀、堅(jiān)固。4、點(diǎn)焊法：利用小型焊頭將兩件大型塑料制品分點(diǎn)焊接，或整排齒狀的焊頭直接壓于兩件塑料工件上，從而達(dá)到點(diǎn)焊的效果。5、成型法：利用超聲波將塑料工件瞬間熔化成型，當(dāng)塑料凝固時(shí)可使金屬或其它材質(zhì)的塑料牢固。6、切除法：利用焊頭及底座的特別設(shè)計(jì)方式，當(dāng)塑料工件剛射出時(shí)，直接壓于塑料的枝干上，通過超聲波傳導(dǎo)達(dá)到切除的效果。七、超聲波清洗在所有的清洗方式中，超聲波清洗是效率最高、效果最好的一種，之所以超聲波清洗能夠達(dá)到如此的效果，是與它獨(dú)特的工作原理和清洗方法密切相關(guān)的。我們知道，在生產(chǎn)和生活當(dāng)中，需要清潔的東西很多，需要清洗的種類和環(huán)節(jié)也很多

12、，如：物件的清除污染物，疏通細(xì)小孔洞，常見的手工清洗方法對(duì)異型物件以及物件隱蔽處無疑無法達(dá)到要求，即使是蒸汽清洗和高壓水射流清洗也無法滿足對(duì)清潔度較高的需求，超聲波清洗對(duì)物件還能達(dá)到殺滅細(xì)菌、溶解有機(jī)污染物、防止過腐蝕等，因此，超聲波清洗被日益廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)：(1)機(jī)械行業(yè)：防銹油脂的去除；量具的清洗；機(jī)械零部件的除油除銹；發(fā)動(dòng)機(jī)、化油器及汽車零件的清洗；過濾器、濾網(wǎng)的疏通清洗等。(2)表面處理行業(yè)：電鍍前的除油除銹；離子鍍前清洗；磷化處理；消除積炭；清除氧化皮；清除拋光膏；金屬工件表面活化處理等。(3)儀器儀表行業(yè)：精密零件的高清潔度裝配前的清洗等。(4)電子行業(yè)：印刷線路板除松香、焊斑

13、；高壓觸點(diǎn)等機(jī)械電子零件的清洗等。(5)醫(yī)療行業(yè)：醫(yī)療器械的清洗、消毒、殺菌、實(shí)驗(yàn)器皿的清洗等。(6)半導(dǎo)體行業(yè)：半導(dǎo)體晶片的高清潔度清洗。(7)鐘表首、飾行業(yè)：清除油泥、灰塵、氧化層、拋光膏等。(8)化學(xué)、生物行業(yè)：實(shí)驗(yàn)器皿的清洗、除垢。(9)光學(xué)行業(yè)：光學(xué)器件的除油、除汗、清灰等。(10)紡織印染行業(yè)：清洗紡織錠子、噴絲板等。(11)石油化工行業(yè)：金屬濾網(wǎng)的清洗疏通、化工容器、交換器的清洗等。八、超聲波在金屬焊接方面的應(yīng)用按國際通行的用途，超聲波金屬焊有四大系列：點(diǎn)焊、滾焊、封切、線束，廣泛應(yīng)用于：汽車、制冷、太陽能、電池、電子等各個(gè)領(lǐng)域超聲波金屬焊接適用產(chǎn)品：A.動(dòng)力電池多層正、負(fù)極焊接

14、；鍥氫電池鍥網(wǎng)與鍥片焊接B.鋰電池、聚合物電池銅箔與鍥片焊接；鋁箔與鋁片焊接；鋁片與鍥片焊接C.汽車線束；電線頭成型；電線互焊；多條電線互焊成線結(jié)；銅、鋁線轉(zhuǎn)換D.電線、電纜與名種電子元件、接點(diǎn)、連接器、端子焊接E.太陽能電池、平板太陽能吸熱板、鋁塑復(fù)合管滾焊，銅、鋁板拼接F.電磁開關(guān)、無熔絲開關(guān)等大電流接點(diǎn)、觸點(diǎn)、異種金屬片的焊接G.冰箱、空調(diào)等行業(yè)銅管封尾；真空器件銅、鋁管封切可水、氣密九、超聲波加濕器超聲波技術(shù)是世界上一種比較成熟的技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域。超聲波加濕器采用超聲波高頻震蕩，將水霧化為1-5微米的超微粒子，通過風(fēng)動(dòng)裝置，將水霧擴(kuò)散到空氣中，使空氣濕潤并伴生豐富的負(fù)氧離子

15、，能清新空氣，增進(jìn)健康，一改冬季暖氣的燥熱，營造舒適的生活環(huán)境。據(jù)專家介紹，超聲波加濕器的優(yōu)點(diǎn)是，加濕強(qiáng)度大，加濕均勻，加濕效率高；節(jié)能、省電，耗電僅為電熱加濕器的1/10至1/15;使用壽命長，濕度自動(dòng)平衡，無水自動(dòng)保護(hù)；兼具醫(yī)療霧化、冷敷浴面、清洗首飾等功能。缺點(diǎn)是對(duì)水質(zhì)有一定的要求。十、超聲波檢測(cè)醫(yī)學(xué)超聲波檢查的工作原理與聲納有一定的相似性，即將超聲波發(fā)射到人體內(nèi)，當(dāng)它在體內(nèi)遇到界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射及折射，并且在人體組織中可能被吸收而衰減。因?yàn)槿梭w各種組織的形態(tài)與結(jié)構(gòu)是不相同的，因此其反射與折射以及吸收超聲波的程度也就不同，醫(yī)生們正是通過儀器所反映出的波型、曲線，或影象的特征來辨別它們。此外

16、再結(jié)合解剖學(xué)知識(shí)、正常與病理的改變，便可診斷所檢查的器官是否有病。三、超聲波的危害超聲波雖然我們聽不到，但是身體器官依舊會(huì)接受、反應(yīng)這種震波。超聲波是一種能量，傳導(dǎo)到人體中，必然會(huì)產(chǎn)生某種效果。理論研究表明,在振幅相同的條件下,一個(gè)物體振動(dòng)的能量與振動(dòng)頻率成正比。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率很高,因而能量很大，而且容易集中，方向性又很強(qiáng)，所以對(duì)物質(zhì)能產(chǎn)生強(qiáng)大作用。這樣強(qiáng)大的能量是人體不能承受的，長期處于超聲波環(huán)境之下，就會(huì)對(duì)人體，特別是精密器官產(chǎn)生損害，出現(xiàn)耳鳴、心悸、頭暈、惡心等癥狀，嚴(yán)重可致死。低劑量的超聲是潛在的致癌與致畸形的因素，而且不同頻率、不同聲強(qiáng)對(duì)不同個(gè)體有一定危害。

17、因?yàn)槌暡▽?duì)固體和液體都有很強(qiáng)的穿透本領(lǐng)，能量較大時(shí)可以使物質(zhì)微粒作高頻振動(dòng)，部分能量還可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使局部溫度升高。高?qiáng)度的脈沖超聲波在含有微米級(jí)小氣泡的液體中傳播時(shí)，可導(dǎo)致氣泡收縮、膨脹以至猛烈爆炸，這種現(xiàn)象稱為“空化現(xiàn)象”。不久前美國著名超生物物理專家卡斯坦森指出，某些臨床使用的超聲圖像診斷儀的最大輸出強(qiáng)度已達(dá)1千瓦平方厘米，這個(gè)強(qiáng)度足以使生物體產(chǎn)生瞬態(tài)空化現(xiàn)象。對(duì)生物體來說，瞬態(tài)空化作用時(shí)，靠近爆炸氣泡附近的細(xì)胞會(huì)受到損傷。超聲波的危害還有高溫效應(yīng)，震波會(huì)讓物體的內(nèi)部微粒高頻振動(dòng)，產(chǎn)生熱效應(yīng)，生物體體內(nèi)過熱自然會(huì)不舒服。超聲波分好多波段，醫(yī)用超聲波只要操作得當(dāng)，對(duì)人體基本無害。要注意

18、的是飛機(jī)、工業(yè)機(jī)械等產(chǎn)生的超聲波。而超聲波產(chǎn)品在給人們帶來福利的同時(shí)，也不可避免的產(chǎn)生一些危害。例如：1、超聲加濕器雖然能增加空氣濕度，釋放大量負(fù)離子，但對(duì)人體有利的同時(shí)，也對(duì)人體有危害，尤其是對(duì)老人，小孩。超聲波型加濕器的原理是利用超聲波產(chǎn)生的高頻振蕩將水打散成直徑只有1-5微米的細(xì)小顆粒，再利用風(fēng)動(dòng)裝置，將這些小顆粒吹到空氣中，這些小顆粒直觀的看來就是蒙蒙的水霧。這種加濕器的令人不滿意的一面就是會(huì)產(chǎn)生“白粉”。因?yàn)樗泻么罅库}，鎂等離子，尤其是水質(zhì)不好的地方，這些鈣，鎂離子也隨著水霧一同擴(kuò)散到空氣中，這就是“白粉”。其主要原因是：超聲波加濕器噴出的水霧是肉眼可見的、直徑幾微米的水珠顆粒，每個(gè)顆粒都是由上萬個(gè)水分子組成，其中還含有大量水垢、細(xì)菌等雜質(zhì)，隨著水霧的噴出，水垢（俗稱白粉）、細(xì)菌等污染物也被噴到了空氣中，被人體吸入造成健康隱患。另一方面，空氣中的細(xì)菌、粉塵也是幾微米的顆