超聲波的產(chǎn)生及應(yīng)用(43100714劉國(guó)政)

1、超聲波的產(chǎn)生及應(yīng)用43100714 劉國(guó)政一、超聲波的產(chǎn)生超聲波是頻率高于20000赫茲的聲波，它方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的 HYPERLINK /view/813391.htm t _blank 聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測(cè)距，測(cè)速，清洗，焊接，碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。 聲波是物體 HYPERLINK /view/15257.htm t _blank 機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)（或能量）的傳播形式。所謂振動(dòng)是指物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)在其 HYPERLINK /view/533000.htm t _blank 平衡位置附近進(jìn)

2、行的往返運(yùn)動(dòng)形式。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動(dòng)，這種振動(dòng)狀態(tài)通過空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波。 超聲波是指振動(dòng)頻率大于20000Hz以上的,其每秒的振動(dòng)次數(shù)（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的上限（20000Hz），人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲和 HYPERLINK /view/1053882.htm t _blank 可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點(diǎn)都是一種機(jī)械振動(dòng)模式，通常以 HYPERLINK /view/274476.htm t _blank 縱波的方式在 HYPERLINK /view/778.htm t _blank 彈性介質(zhì)內(nèi)會(huì)傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點(diǎn)

3、是超聲波頻率高， HYPERLINK /view/45341.htm t _blank 波長(zhǎng)短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超 HYPERLINK /view/572341.htm t _blank 聲成象所用的頻率范圍在 25兆Hz之間，常用為33.5兆Hz（每秒振動(dòng)1次為1Hz，1兆Hz=106Hz,即每秒振動(dòng)100萬次，可聞波的頻率在1620，000HZ 之間）。超聲波是聲波大家族中的一員。 超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、 HYPERLINK /view/59839.htm t _blank 衍射、散射等傳播規(guī)律，與可聽聲波的規(guī)律并沒有本質(zhì)上的區(qū)別。但是超聲波的

4、波長(zhǎng)很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米。與可聽聲波比較，超聲波具有許多奇異特性：傳播特性超聲波的波長(zhǎng)很短，通常的障礙物的尺寸要比超聲波的波長(zhǎng)大好多倍，因此超聲波的衍射本領(lǐng)很差，它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播，超聲波的波長(zhǎng)越短，這一特性就越顯著。功率特性當(dāng)聲音在空氣中傳播時(shí)，推動(dòng)空氣中的 HYPERLINK /view/736203.htm t _blank 微粒往復(fù)振動(dòng)而對(duì)微粒做功。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。在相同強(qiáng)度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大。由于超聲波頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的?？栈饔卯?dāng)超聲波在液體中傳播時(shí)，由于液體微粒的劇烈振動(dòng)，會(huì)

5、在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合，會(huì)使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)。微粒間這種劇烈的相互作用，會(huì)使液體的溫度驟然升高，起到了很好的攪拌作用，從而使兩種不相溶的液體（如水和油）發(fā)生乳化，并且加速溶質(zhì)的溶解，加速化學(xué)反應(yīng)。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應(yīng)稱為超聲波的空化作用。頻率高于2104赫的聲波。研究超聲波的產(chǎn)生、傳播、接收，以及各種超聲效應(yīng)和應(yīng)用的聲學(xué)分支叫 HYPERLINK /view/78175.htm t _blank 超聲學(xué)。產(chǎn)生超聲波的裝置有機(jī)械型超聲發(fā)生器（例如氣哨、汽笛和液哨等）、利用 HYPERLINK /view/

6、34144.htm t _blank 電磁感應(yīng)和電磁作用原理制成的電動(dòng)超聲發(fā)生器、以及利用壓電晶體的電致伸縮效應(yīng)和鐵磁物質(zhì)的 HYPERLINK /view/132321.htm t _blank 磁致伸縮效應(yīng)制成的 HYPERLINK /view/1017162.htm t _blank 電聲換能器等于人的聽覺上限而得名。二、超聲波的應(yīng)用超聲波在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有極其廣泛的應(yīng)用。包括超聲波檢測(cè)、超聲波探傷、功率超聲、超聲波處理、超聲波診斷、超聲波治療等。超聲波在工業(yè)中可用來對(duì)材料進(jìn)行檢測(cè)和探傷，可以測(cè)量氣體、液體和固體的物理參數(shù)，可以測(cè)量厚度、液面高度、流量、粘度和硬度等，還可以對(duì)材料的焊縫、粘

7、接等進(jìn)行檢查。超聲波清洗和加工處理可以應(yīng)用于切割、焊接、噴霧、乳化、電鍍等工藝過程中。超聲波清洗是一種高效率的方法，已經(jīng)用于尖端和精密工業(yè)。大功率超聲可用于機(jī)械加工，使超聲波在拉管、拉絲、擠壓和鉚接等工藝中得到應(yīng)用。應(yīng)用在醫(yī)學(xué)中的超聲波診斷發(fā)展甚快，已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)上三大影象診斷方法之一，與X線、同位素分別應(yīng)用于不同場(chǎng)合，例如超聲波理療、超聲波診斷、腫瘤治療和結(jié)石粉碎等。在農(nóng)業(yè)中，可以用超聲波對(duì)有機(jī)體細(xì)胞的殺傷的特性來進(jìn)行消毒滅菌，對(duì)作物種子進(jìn)行超聲波處理，有利于種子發(fā)芽和作物增產(chǎn)。此外超聲波的液體處理和凈化可應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)中，例如超聲波水處理、燃油乳化、大氣除塵等。微波超聲的重點(diǎn)放在微波電子器件

8、，已經(jīng)制成了超聲波延遲線、聲電放大器、聲電濾波器、脈沖壓縮濾波器等。下面，就對(duì)超聲波的幾個(gè)典型應(yīng)用加以描述。1超聲波傳感器由于許多儀器及控制應(yīng)用中均涉及到超聲波傳感器，尤其是在流量測(cè)量，材料無損檢驗(yàn)及物位測(cè)量等方面，超聲波傳感器的應(yīng)用尤為普遍。所以，在此首先簡(jiǎn)要的介紹一下超聲波傳感器。廣義上來講，它是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)或者將外界聲場(chǎng)中的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件，又稱為超聲波換能器或者超聲波探頭。超聲波傳感器分為發(fā)射換能器和接收換能器，既能發(fā)射超聲波又能接受發(fā)射出去的超聲波的回波。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)，而接收換能器則是利用壓電效應(yīng)。超聲換能器的種類很

9、多，按照其結(jié)構(gòu)可分為直探頭(縱波)、斜探頭(橫波)、表面波探頭、雙探頭(一個(gè)發(fā)射，一個(gè)接收)、聚焦探頭(將聲波聚集成一束)、水浸探頭(可浸在液體中)以及其它專用探頭。按照實(shí)現(xiàn)超聲換能器機(jī)電轉(zhuǎn)換的物理效應(yīng)的不同可將換能器分為電動(dòng)式、電磁式、磁致式、壓電式和電致伸縮式等。超聲波換能器的材料也有多種選擇，某些電介質(zhì)(例如晶體、陶瓷、高分子聚合物等)在其適應(yīng)的方向施加作用力時(shí)，內(nèi)部的電極化狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，在電介質(zhì)的某相對(duì)兩表面內(nèi)會(huì)出現(xiàn)與外力成正比的符號(hào)相反的束縛電荷，這種由于外力作用使電介質(zhì)帶電的現(xiàn)象叫做壓電效應(yīng)。相反地，若在電介質(zhì)上加一外電場(chǎng)，在此電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)內(nèi)部電極化狀態(tài)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，產(chǎn)

10、生與外加電場(chǎng)強(qiáng)度成正比的應(yīng)變現(xiàn)象，這一現(xiàn)象叫做逆壓電效應(yīng)。壓電材料是壓電換能器的研制、應(yīng)用和發(fā)展的關(guān)鍵6。大致可分為五類：壓電單晶體、壓電多晶體、壓電半導(dǎo)體、壓電高分子聚合物、復(fù)合壓電材料。其中壓電陶瓷是壓電多晶體材料，這類壓電陶瓷為實(shí)心，均勻和一體的壓電功能材料，具有優(yōu)良的壓電性能。壓電陶瓷自問世以來，至今已有30多年歷史。無論在材料基礎(chǔ)研究方面或是在應(yīng)用方面，都獲得了飛速的發(fā)展。由于壓電陶瓷的出現(xiàn)，開辟了壓電材料的廣闊前景，也使壓電換能器的理論發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用提高到一個(gè)新的高度。壓電陶瓷是當(dāng)今最有可為的壓電材料，目前在壓電材料中無論數(shù)量上還是質(zhì)量上均處于支配地位，其原因是它有如下優(yōu)點(diǎn)：(l)

11、所用原材料價(jià)廉且易得；(2)具有非水溶性，遇潮不易損壞；(3)壓電性能優(yōu)越；(4)品種繁多，性能各異，可滿足不同的設(shè)計(jì)要求；(5)機(jī)械強(qiáng)度好，易于加工成各種不同的形狀和尺寸；(6)采用不同的形狀和不同的電極化軸，可以得到所需的各種振動(dòng)模式；(7)制作工藝較簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期較短，價(jià)格適中。根據(jù)不同的實(shí)際應(yīng)用情況，超聲波傳感器產(chǎn)生不同頻率。如應(yīng)用在流量測(cè)量領(lǐng)域，聲波的頻率在30kHz到5MHz之間；應(yīng)用在物位測(cè)量領(lǐng)域時(shí)，聲波的頻率會(huì)低一些，一般在30kHz到200kHz之間；而當(dāng)應(yīng)用在檢測(cè)裝置（如測(cè)厚儀和探傷檢驗(yàn)裝置）上時(shí)，聲波的頻率范圍很廣，但是總體上來說要比用于其它領(lǐng)域時(shí)高很多。2超聲波測(cè)距超聲

12、波因其指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，而經(jīng)常用于進(jìn)行各種測(cè)量。如利用超聲波在水中的發(fā)射，可以測(cè)量水深、液位等利用超聲波測(cè)距，使用單片機(jī)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)合理，計(jì)算處理也較方便，測(cè)量精度能達(dá)到各種場(chǎng)合使用的要求。2.1超聲波測(cè)距的原理 超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見，超聲波測(cè)距原理與雷達(dá)原理是一樣的。 測(cè)距的公式表示為：L=CT 式中L為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測(cè)量距離傳播的時(shí)間差(T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半)。 超聲波測(cè)距主要應(yīng)用

13、于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量，雖然目前的測(cè)距量程上能達(dá)到百米，但測(cè)量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。 由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測(cè)量的理想手段。在精密的液位測(cè)量中需要達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度，但是目前國(guó)內(nèi)的超聲波測(cè)距專用集成電路都是只有厘米級(jí)的測(cè)量精度。通過分析超聲波測(cè)距誤差產(chǎn)生的原因，提高測(cè)量時(shí)間差到微秒級(jí)，以及用LM92溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們?cè)O(shè)計(jì)的高精度超聲波測(cè)距儀便能達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度7。（美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的LM92溫度傳感器的溫度測(cè)試分辨率為0.0625，-10至+85準(zhǔn)確度為1.0，I2

14、C總線接口。用89C51的通用I/O端口能很容易的模擬I2C總線的讀寫時(shí)序，LM92的高精度溫度測(cè)量能很好的補(bǔ)償超聲波在不同溫度的傳播速度。2.2超聲波測(cè)距誤差分析 根據(jù)超聲波測(cè)距公式L=CT，可知測(cè)距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測(cè)量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。 1.時(shí)間誤差 當(dāng)要求測(cè)距誤差小于1mm時(shí)，假設(shè)已知超聲波速度C=344m/s (20室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測(cè)距誤差st(0.001/344) 0.000002907s 即2.907ms7在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測(cè)量距離的傳播時(shí)間差值精度只要在達(dá)到微秒級(jí)，就能保證測(cè)距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)

15、的89C51單片機(jī)定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù)到1s的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在1mm的測(cè)量范圍內(nèi)。 2.超聲波傳播速度誤差 超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系。 已知超聲波速度與溫度的關(guān)系如下：近似公式為：C=C0+0.607T 式中：C0為零度時(shí)的聲波速度332m/s； T為實(shí)際溫度()。 對(duì)于超聲波測(cè)距精度要求達(dá)到1mm時(shí)，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。例如當(dāng)溫度0時(shí)超聲波速度是332m/s, 30時(shí)是350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30的環(huán)境下以0的聲速測(cè)

16、量100m距離所引起的測(cè)量誤差將達(dá)到5m，測(cè)量1m誤差將達(dá)到5mm82.3超聲波測(cè)液位超聲波液位測(cè)量主要是以超聲波測(cè)距為原理，加上合理的設(shè)計(jì)，得到液位測(cè)距儀，最簡(jiǎn)單的是測(cè)量水位。如圖3.2所示，在離水塔底部高H處，安裝設(shè)計(jì)好的超聲波液位計(jì)。液位計(jì)向水面垂直發(fā)出超聲波，當(dāng)超聲波遇到水面經(jīng)液面向上反射到液位計(jì)，液位計(jì)接收到反射回的超聲波時(shí)，由單片機(jī)CFU算出超聲波往返一次所用的時(shí)間，即可算出液位計(jì)到水面的距離L，液位高度可由公式：h=H-Vt/2算出。其中，V為超聲波在空氣中的傳播速度，t為超聲波由液位計(jì)到水面往返一次的時(shí)間。圖3.2利用超聲波發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)一定頻率的振蕩是很容易的，并且方法有多種，

17、取液位計(jì)與水面的距離為適當(dāng)?shù)母叨?，可令超聲波發(fā)出去后能有效的返回，讓接收器收到信號(hào)，送到微處理器，經(jīng)微處理器處理所得的數(shù)據(jù)，即可算出水位高度。超聲波在空氣中一般可以實(shí)現(xiàn)有效傳播，只要外部的環(huán)境不是特別的惡劣，所受到的干擾并不是很大，測(cè)量結(jié)果不會(huì)有太大的誤差。3超聲波測(cè)量流量超聲波流量計(jì)是近十幾年來隨著集成電路技術(shù)迅速發(fā)展才開始應(yīng)用的一種非接觸式儀表，適于測(cè)量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量。它與水位計(jì)聯(lián)動(dòng)可進(jìn)行敞開水流的流量測(cè)量。使用超聲波流量比不用在流體中安裝測(cè)量元件故不會(huì)改變流體的流動(dòng)狀態(tài)，不產(chǎn)生附加阻力，儀表的安裝及檢修均可不影響生產(chǎn)管線運(yùn)行因而是一種理想的節(jié)能型流量計(jì)。眾所周知，目前

18、的工業(yè)流量測(cè)量普遍存在著大管徑、大流量測(cè)量困難的問題，這是因?yàn)橐话懔髁坑?jì)隨著測(cè)量管徑的增大會(huì)帶來制造和運(yùn)輸上的困難，造價(jià)提高、能損加大、安裝不便這些缺點(diǎn)，但超聲波流量計(jì)均可避免。因?yàn)楦黝惓暡髁坑?jì)均可管外安裝、非接觸測(cè)流，儀表造價(jià)基本上與被測(cè)管道口徑大小無關(guān)，而其它類型的流量計(jì)隨著口徑增加，造價(jià)大幅度增加，故口徑越大超聲波流量計(jì)比相同功能其它類型流量計(jì)的功能價(jià)格比越優(yōu)越【9】。被認(rèn)為是較好的大管徑流量測(cè)量?jī)x表，多普勒法超聲波流量計(jì)可測(cè)雙相介質(zhì)的流量，故可用于下水道及排污水等臟污流的測(cè)量。在發(fā)電廠中，用便攜式超聲波流量計(jì)測(cè)量水輪機(jī)進(jìn)水量、汽輪機(jī)循環(huán)水量等大管徑流量，比過去的皮脫管流速計(jì)方便得多

19、。超聲被流量汁也可用于氣體測(cè)量。管徑的適用范圍從2cm到5m，從幾米寬的明渠、暗渠到500m寬的河流都可適用1。另外，超聲測(cè)量?jī)x表的流量測(cè)量準(zhǔn)確度幾乎不受被測(cè)流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響，又可制成非接觸及便攜式測(cè)量?jī)x表，故可解決其它類型儀表所難以測(cè)量的強(qiáng)腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測(cè)量問題。另外，鑒于非接觸測(cè)量特點(diǎn)，再配以合理的電子線路，一臺(tái)儀表可適應(yīng)多種管徑測(cè)量和多種流量范圍測(cè)量。超聲波流量計(jì)的適應(yīng)能力也是其它儀表不可比擬的。超聲波流量計(jì)具有上述一些優(yōu)點(diǎn)因此它越來越受到重視并且向產(chǎn)品系列化、通用化發(fā)展，現(xiàn)已制成不同聲道的標(biāo)準(zhǔn)型、高溫型、防爆型、濕式型儀表以適應(yīng)不同介

20、質(zhì)，不同場(chǎng)合和不同管道條件的流量測(cè)量。超聲波流量計(jì)目前所存在的缺點(diǎn)主要是可測(cè)流體的溫度范圍受超聲波換能器及換能器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，以及高溫下被測(cè)流體傳聲速度的原始數(shù)據(jù)不全。目前我國(guó)只能用于測(cè)量200以下的流體。另外，超聲波流量計(jì)的測(cè)量線路比一般流量計(jì)復(fù)雜。這是因?yàn)?，一般工業(yè)計(jì)量中液體的流速常常是每秒幾米，而聲波在液體中的傳播速度約為1500ms左右，被測(cè)流體流速(流量)變化帶給聲速的變化量最大也是103數(shù)量級(jí)若要測(cè)量流速的準(zhǔn)確度為1，則對(duì)聲速的測(cè)量準(zhǔn)確度需為10-510-6數(shù)量級(jí)14超聲波流量計(jì)由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換

21、為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測(cè)流體中，接收器接收到的超聲波信號(hào)，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號(hào)供給顯示和計(jì)算儀表進(jìn)行顯示和計(jì)算。這樣就實(shí)現(xiàn)了流量的檢測(cè)和顯示。超聲波流量計(jì)常用壓電換能器5。它利用壓電材料的壓電效應(yīng)，采用適出的發(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的壓電元件上，使其產(chǎn)生超聲波振勸。超聲波以某一角度射入流體中傳播，然后由接收換能器接收，并經(jīng)壓電元件變?yōu)殡娔?，以便檢測(cè)。超聲波流量計(jì)換能器的壓電元件常做成圓形薄片，沿厚度振動(dòng)。薄片直徑超過厚度的10倍，以保證振動(dòng)的方向性。壓電元件材料多采用鋯鈦酸鉛。為固定壓電元件，使超聲波以合適的角度射入到流體中，需把元件放入聲楔中，構(gòu)成換能器整體(又稱

22、探頭)。聲楔的材料不僅要求強(qiáng)度高、耐老化，而且要求超聲波經(jīng)聲楔后能量損失小即透射系數(shù)接近1。常用的聲楔材料是有機(jī)玻璃，因?yàn)樗该?，可以觀察到聲楔中壓電元件的組裝情況。另外，某些橡膠、塑料及膠木也可作聲楔材料5。超聲波流量計(jì)的電子線路包括發(fā)射、接收、信號(hào)處理和顯示電路。測(cè)得的瞬時(shí)流量和累積流量值用數(shù)字量或模擬量顯示。根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理，目前超聲波流量計(jì)大致可分傳播速度差法(包括：直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法、頻差法)波束偏移法、多普勒法、相關(guān)法、空間濾波法及噪聲法等類型1。其中以噪聲法原理及結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，便于測(cè)量和攜帶，價(jià)格便宜但準(zhǔn)確度較低，適于在流量測(cè)量準(zhǔn)確度要求不高的場(chǎng)合使用。由于直接時(shí)差法

23、、時(shí)差法、頻差法和相位差法的基本原理都是通過測(cè)量超聲波脈沖順流和逆流傳播時(shí)速度之差來反映流體的流速的，故又統(tǒng)稱為傳播速度差法。其中頻差法和時(shí)差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來的誤差，準(zhǔn)確度較高，所以被廣泛采用。按照換能器的配置方法不同，傳播速度差法又分為：Z法(透過法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。波束偏移法是利用超聲波束在流體中的傳播方向隨流體流速變化而產(chǎn)生偏移來反映流體流速的，低流速時(shí)，靈敏度很低適用性不大多普勒法是利用聲學(xué)多普勒原理，通過測(cè)量不均勻流體中散射體散射的超聲波多普勒頻移來確定流體流量的，適用于含懸浮顆粒、氣泡等流體流量測(cè)量。相關(guān)法是利用相關(guān)技術(shù)測(cè)量流量，原理上，此法的測(cè)量

24、準(zhǔn)確度與流體中的聲速無關(guān)，因而與流體溫度，濃度等無關(guān)，因而測(cè)量準(zhǔn)確度高，適用范圍廣。但相關(guān)器件價(jià)格貴，線路比較復(fù)雜。在微處理機(jī)普及應(yīng)用后，這個(gè)缺點(diǎn)可以克服。噪聲法(聽音法)是利用管道內(nèi)流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲與流體的流速有關(guān)的原理，通過檢測(cè)噪聲表示流速或流量值。其方法簡(jiǎn)單，設(shè)備價(jià)格便宜，但準(zhǔn)確度低。以上幾種方法各有特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)被測(cè)流體性質(zhì)流速分布情況、管路安裝地點(diǎn)以及對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的要求等因素進(jìn)行選擇。一般說來由于工業(yè)生產(chǎn)中工質(zhì)的溫度常不能保持恒定，故多采用頻差法及時(shí)差法。只有在管徑很大時(shí)才采用直接時(shí)差法。對(duì)換能器安裝方法的選擇原則一般是：當(dāng)流體沿管軸平行流動(dòng)時(shí)，選用Z法；當(dāng)流動(dòng)方向與管鈾不平行或管

25、路安裝地點(diǎn)使換能器安裝間隔受到限制時(shí)，采用V法或X法。當(dāng)流量分布不均勻而表前直管段又較短時(shí)，也可采用多聲道(例如雙聲道或四聲道)來克服流速擾動(dòng)帶來的流量測(cè)量誤差。多普勒法適于測(cè)量?jī)上嗔?，可避免常?guī)儀表由懸浮粒或氣泡造成的堵塞、磨損、附著而不能運(yùn)行的弊病，因而得以迅速發(fā)展。隨著工業(yè)的發(fā)展及節(jié)能工作的開展，煤油混合(COM)、煤水混合(CWM)燃料的輸送和應(yīng)用以及燃料油加水助燃等節(jié)能方法的發(fā)展，都為多普勒超聲波流量計(jì)應(yīng)用開辟?gòu)V闊前景。4超聲波提取技術(shù)超聲波在傳遞過程中存在著的正負(fù)壓強(qiáng)交變周期，在正相位時(shí)，對(duì)介質(zhì)分子產(chǎn)生擠壓，增加介質(zhì)原來的密度；負(fù)相位時(shí)，介質(zhì)分子稀疏、離散，介質(zhì)密度減小。也就是說，

26、超聲波并不能使樣品內(nèi)的分子產(chǎn)生極化，而是在溶劑和樣品之間產(chǎn)生聲波空化作用，導(dǎo)致溶液內(nèi)氣泡的形成、增長(zhǎng)和爆破壓縮，從而使固體樣品分散，增大樣品與萃取溶劑之間的接觸面積，提高目標(biāo)物從固相轉(zhuǎn)移到液相的傳質(zhì)速率10。 超聲波萃取的原理：超聲波萃取的優(yōu)越性，是基于超聲波的特殊物理性質(zhì)。主要是主要通過壓電換能器產(chǎn)生的快速機(jī)械振動(dòng)波來減少目標(biāo)萃取物與樣品基體之間的作用力從而實(shí)現(xiàn)固-液萃取分離。具體過程為：（1）加速介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。高于20 KHz聲波頻率的超聲波的連續(xù)介質(zhì)（例如水）中傳播時(shí)，根據(jù)惠更斯波動(dòng)原理，在其傳播的波陣面上將引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，使介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)獲行巨大的加速度和動(dòng)能。質(zhì)點(diǎn)的加速度經(jīng)計(jì)算一般

27、可達(dá)重力加速度的二千倍以上。由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)將超聲波能量作用于樣品基體質(zhì)點(diǎn)上而使之獲得巨大的加速度和動(dòng)能，使質(zhì)點(diǎn)迅速逸出而游離于水中。（2）空化作用。超聲波在液體介質(zhì)中傳播產(chǎn)生特殊的“空化效應(yīng)”，“空化效應(yīng)”不斷產(chǎn)生無數(shù)內(nèi)部壓力達(dá)到上千個(gè)大氣壓的微氣穴并不斷“爆破”產(chǎn)生微觀上的強(qiáng)大沖擊波作用在樣品基體上，使目標(biāo)物質(zhì)被“轟擊”逸出，并使得樣品基體被不斷剝蝕，其中不屬于剛性結(jié)構(gòu)的成分不斷被分離出來。加速物質(zhì)中有效成份的浸出提取。（3）超聲波的振動(dòng)勻化使樣品介質(zhì)內(nèi)各點(diǎn)受到的作用一致，使整個(gè)樣品萃取更均勻。 綜上所述，在超聲波場(chǎng)作用下不但作為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)獲得自身的巨大加速度和動(dòng)能，而且通過“空化效應(yīng)”獲得強(qiáng)大

28、的外力沖擊，所以能高效率并充分分離出來。 超聲波適用于中藥材有效成份的萃取，是中藥制藥徹底改變傳統(tǒng)的水煮醇沉萃取方法的新方法、新工藝。與水煮、醇沉工藝相比，超聲波萃取具有如下突出特點(diǎn)18：（1）無需高溫。在4050水溫F超聲波強(qiáng)化萃取，無水煮高溫，不破壞中藥材中某些具有熱不穩(wěn)定，易水解或氧化特性的藥效成份。超聲波能促使植物細(xì)胞地破壁，提高中藥的療效。（2）常壓萃取，安全性好，操作簡(jiǎn)單易行，維護(hù)保養(yǎng)方便。（3）萃取效率高。超聲波強(qiáng)化萃取2040分鐘即可獲最佳提取率，萃取時(shí)間僅為水煮、醇沉法的三分之一或更少。萃取充分，萃取量是傳統(tǒng)方法的二倍以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，超聲波在6570oC工作效率非常高。而溫度在

29、65oC度內(nèi)中草藥植物的有效成份基本沒有受到破壞。加入超聲波后（在65度條件下），植物有效成份提取時(shí)間約40分鐘。而蒸煮法的蒸煮時(shí) 間往往需要兩到三小時(shí)，是超聲波提取時(shí)間的3倍以上時(shí)間。每罐提取3次，基本上可提取有效成份的90%以上。（4）具有廣譜性。適用性廣，絕大多數(shù)的中藥材各類成份均可超聲萃取。（5）超聲波萃取對(duì)溶劑和目標(biāo)萃取物的性質(zhì)（如極性）關(guān)系不大。因此，可供選擇的萃取溶劑種類多、目標(biāo)萃取物范圍廣泛。（6）減少能耗。由于超聲萃取無需加熱或加熱溫度低，萃取時(shí)間短，因此大大降低能耗。（7）藥材原料處理量大，成倍或數(shù)倍提高，且雜質(zhì)少，有效成分易于分離、凈化。（8）萃取工藝成本低，綜合經(jīng)濟(jì)效益

30、顯著。5超聲清洗超聲波在液體中傳播能夠形成空化作用，用來清洗物件特別實(shí)用。5.1超聲清洗的原理超聲波清洗主要是利用超聲波在液體中的空化作用。超聲波在液體傳播過程中,當(dāng)其聲波壓強(qiáng)達(dá)到一個(gè)大氣壓時(shí),超聲波的功率密度約為0.35W/cm2,這時(shí)在液體中傳播的超聲波的聲波壓強(qiáng)峰值在液體中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的力,將液體拉裂成空洞(空化核),此空洞為真空或非常接近真空。在信號(hào)電壓值(或超聲波壓強(qiáng))下一個(gè)半周達(dá)到最大時(shí),由于周圍的壓力的增大而被壓碎,這些無數(shù)細(xì)小而密集的氣泡破裂時(shí)產(chǎn)生沖擊波的現(xiàn)象被稱之為“空化”作用,空化泡崩潰時(shí),在極短的時(shí)間和極小的空間內(nèi),形成局部熱點(diǎn),可產(chǎn)生高達(dá)5000 K的高溫和108Pa

31、的高壓,溫度變化率高達(dá)109K/s,并伴隨有強(qiáng)烈的沖擊波和時(shí)速達(dá)400km的射流12。在此作用下,液體分子激烈碰撞產(chǎn)生非常強(qiáng)大的沖擊力,將被清洗物體表面的污物撞擊下來?？栈饔靡苍诠腆w與液體的交界處產(chǎn)生一種剪切力,也使污垢脫落,因而兩種力的作用下,對(duì)于浸入超聲波作用下的液體中的物體外表面具有超乎尋常的清洗作用。另外,由于超聲波具有很強(qiáng)的穿透固體的作用,所以這種“空化”作用對(duì)浸入超聲波作用下的液體中物體(如管件)內(nèi)表面也能得到一定程度的清洗,這是超聲波清洗優(yōu)于其它清洗手段的重要方面。5.2影響清洗的因素1.超聲波頻率：超聲波頻率越低，在液體中產(chǎn)生空化越容易，作用也越強(qiáng)。頻率高則超聲波方向性強(qiáng)，適

32、合于精細(xì)物體的清洗。根據(jù)頻率不同，聲強(qiáng)一般選在12w/cm2左右。2.功率密度：超聲波的功率密度越高，空化效果越強(qiáng)，速度越快，清洗效果越好。但對(duì)于精密的、表面光潔度甚高的工件，采用長(zhǎng)時(shí)間的高功率密度清洗會(huì)對(duì)物體表面產(chǎn)生“空化”腐蝕。 3.清洗介質(zhì)：采用超聲波清洗，一般有兩種清洗劑：化學(xué)溶劑和水基清洗劑。清洗介質(zhì)的化學(xué)作用，加上超聲波清洗的物理作用，兩種作用相結(jié)合，以對(duì)物體進(jìn)行充分，徹底的清洗。4.清洗溫度：一般來說，超聲波在3040時(shí)空化效果最好。清洗劑是溫度越高，作用越顯著。但隨著液溫的上升，液體中生存的氣泡會(huì)遮斷聲波，使超聲波減弱。通常實(shí)際應(yīng)用超聲波清洗時(shí)，采用405.工作放置方式：因?yàn)閷?/p>

33、清洗物置于駐波壓力最大的位置，可獲得最佳的清洗效果，所以工件在清洗槽內(nèi)上下、左右緩慢的擺動(dòng)，則清洗越均勻、徹底，清洗效果越好。6超聲波在軍事中的應(yīng)用超聲波在軍事中的應(yīng)用主要運(yùn)用超聲波方向性好的特性。由于超聲波基本上是沿直線傳播的，可以定向發(fā)射，如果漁船載有水下超聲波發(fā)生器，它旋轉(zhuǎn)著向各個(gè)方向發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波遇到魚群時(shí)會(huì)反射回來，漁船探測(cè)到反射波就知道魚群的位置了，這種儀器叫聲納13。它也可以用來探測(cè)水中的暗礁和敵人的潛艇以及測(cè)量海水的深度。在現(xiàn)代高科技中，雖然雷達(dá)的應(yīng)用很廣，但在水中依然采用聲納技術(shù)，這主要是因?yàn)楹Ｋ辛己玫膶?dǎo)電性，對(duì)電磁波的吸收能力很強(qiáng)，雷達(dá)無法探測(cè)水下作戰(zhàn)目標(biāo)的方位和距

34、離，超聲波在空氣中衰減較快，而在固體、液體中的衰減卻很小，這正好與電磁波相反，在這種情況下，聲納技術(shù)可以發(fā)揮巨大的威力。由于海水吸熱能力太強(qiáng)，使紅外線技術(shù)無用武之地；又由于水的透光能力差，吸收光能力很強(qiáng)，故光學(xué)設(shè)備如望遠(yuǎn)鏡也使用不上。因此，聲納技術(shù)在特殊領(lǐng)域中占有不可取代的地位。7超聲波技術(shù)在納米材料制備中的應(yīng)用納米材料是納米科學(xué)中的一個(gè)重要研究發(fā)展方向，在越來越多的領(lǐng)域中受到重視，成為材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)。近年來，聲空化作用引起的特殊物理和化學(xué)環(huán)境為科學(xué)家制備納米材料提供了新的途徑，聲空化方法正成為制備具有特殊性能材料的一種新技術(shù)，這其中包括超聲化學(xué)法、超聲霧化法等。這些方法的出現(xiàn)，擴(kuò)展了納米

35、材料的制備技術(shù)，為納米科學(xué)技術(shù)注入了新的活力。著名聲化學(xué)家Suslick的研究小組【14】在納米結(jié)構(gòu)材料的制備和合成方面做了大量的工作，如在0時(shí)用超聲輻照Fe(CO)3的癸烷溶液時(shí)可產(chǎn)生暗黑色的鐵粉末。經(jīng)元素分析知,粉末中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96%以上；掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)的結(jié)果證實(shí)，這種材料是由粒徑4nm6nm的粒子組成的聚集體；磁性研究表明，這是一種非常軟的鐵磁性材料，居里溫度高達(dá)580K。王建等人以無水四氯化錫為原料，在超聲波的作用下，用溶膠 凝膠法制得納米SnO2，并運(yùn)用TEM和XRD對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。在適當(dāng)?shù)臈l件下制得的納米SnO2粉末平均粒徑為20nm，顆粒為球形，粒

36、徑均勻，流動(dòng)性能好，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為四方晶系錫石結(jié)構(gòu)，純度95%以上，超聲波在控制粒徑大小和防止團(tuán)聚方面起到了很好的作用。林金谷等以溶于十氫萘的碳基鐵Fe(CO)5和六碳基鉻Cr(CO)6溶液注入一套專門設(shè)計(jì)的超聲微粒制備裝置，在超聲功率120W、頻率20kHz下分解3.5h，得到粒徑17nm28nm的Fe Cr合金納米粉末。王菊香等開發(fā)出制備納米粉末的超聲電解法，通過控制溶液濃度、超聲功率、電解條件和電流密度等得到10nm以下的銅和鎳粉。該方法具有工藝簡(jiǎn)單、成本低和無毒、無污染等特點(diǎn)，是制備超細(xì)金屬粉末的一種新方法。陳雪梅等首次將超聲波法運(yùn)用于沉淀法制備納米Al2O3粉體，利用超聲輻射工藝制得粒徑為12nm的Al2O3粉體。結(jié)果表明，超聲輻射通過對(duì)液體介質(zhì)的空化作用而有效地細(xì)化了前驅(qū)體NH4Al(OH)2CO3沉淀顆粒,抑制了前驅(qū)體顆粒的聚焦，超聲輻射延緩了前驅(qū)體向凝膠轉(zhuǎn)化過程，得到含較小包裹水和結(jié)合水的三維疏松網(wǎng)絡(luò)狀骨架結(jié)構(gòu)的凝膠。8超聲波在醫(yī)療方面的應(yīng)用醫(yī)學(xué)上最早