超声波的应用及危害

超声波的应用及危害超声波的应用及危害一、超声波简介我们知道，当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。声波频率为 20 20，000 赫兹时，我们人类耳朵能够听到；当声波的振动频率大于 20000 赫兹或小于 20 赫兹时，我们便听不见了。我们把频率高于 20000 赫兹的声波称为“超声波” 。由于超声波的频率高，因此具有以下特点：（ a）方向性好（几乎沿直线传播） ，能量易于集中；（ b）穿透能力强， 可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播，且可传播足够远的距离 ；（ c）在媒质中传播时能产生巨大的作用力， 如在液体介质中传播时， 可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。二、超声波的应用超声效应已广泛用于实际，主要有如下几方面：超声检验：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、遥控和超声成像技术。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。超声处理：利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。基础研究：超声波作用于介质后，在介质中产生声弛豫过程，声弛豫过程伴随着能量在分子各自电度间的输运过程，并在宏观上表现出对声波的吸收（见声波）。通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构，这方面的研究构成了分子声学这一声学分支。普通声波的波长远大于固体中的原子间距，在此条件下固体可当作连续介质 。但对频率在 1012 赫以上的 特超声波 ，波长可与固体中的原子间距相比拟，此时必须把固体当作是具有空间周期性的点阵结构。点阵振动的能量是量子化的 ，称为声子（见固体物理学） 。特超声对固体的作用可归结为特超声与热声子、电子、光子和各种准粒子的相互作用。对固体中特超声的产生、检测和传播规律的研究，以及量子液体液态氦中声现象的研究构成了近代声学的新领域。具体的应用实例如：一、超声波空泡炼油液体内部产生的强超声波引发出高能量密集式空泡群 , 空泡爆炸时 , 在微小的空间内瞬间产生高达一千大气压的压力和上千度的高温。在高压高温下 , 重油分子中 C-C键断裂 , 大分子的碳氢化合物分解为小分子的碳氢化合物 ; 原料中硫的有机化物在超声波与空泡作用下 , 其 C-S 键发生断裂 , 转变为中间烯烃、正烷烃、芳烃和硫化氢。生成的烯烃在超声波热解过程中转变为正烷烃和芳烃。含硫份高的重油大分子转化为低硫小分子的汽油和柴油。少量没有转化或转化程度低的剩余物用于制备高品质沥青。二、超声波提取生物纳米（超声波化学合成法）超声波化学反应中，起关键作用的是声波的空化效应，在超声波的辐照过程中，在液体里将发生空化气泡的形成，长大和崩灭，当空化气泡崩灭时产生一个覆盖着的强压力脉冲，产生许多独特的性质，例如产生高达 5000K的高温，大于 200Mpa的压力，以及高达 1010K/p 的降温速度，这就是超声波化学合成的能量来源， Kcap ，Okitso 等将 0.5um 的 oAl1/O3 粉末加入到溶液中，再加入一种对 Pd2，还原起促进作用的规类，然后用 20Khz 的超声波辐照，在 Al2O2 表面合成出 10nm左右的 Pd 纳米粒子。三、超声波制药（1） 注射用医药物质的分散将磷脂类与胆固醇混合用适当方法与药物混合在水溶液中，经超声分散，可以得到更小粒子（0.1um 左右）供静脉注射。（2） 草药提取利用超声分散破坏植物组织，加速溶剂穿透组织作用，提高中草药有效成分提取率。如金鸡纳树皮中全部生物碱用一般方法侵出需 5 小时以上，采用超声分散只要半小时即可完成。（3）制备混悬剂在超声空化和强烈搅拌下，将一种固体药物分散在含有表面活性剂的水溶液中，可以形成 1um左右口服或静脉注射混悬剂。例“静注喜树碱混悬剂”“肝脏造影剂”、“硫酸钡混悬剂”。（4） 制备疫苗将细胞或病毒借助于超声分散将其杀死以后，再用适当方法制成疫苗。四、超声波对化妆品的分散为了更进一步提取药物精华和粒子微细化，并节约生产成本，达到分散、乳化效果，使化妆品更深入渗透到肌肤里层，让肌肤很好的吸收，发挥药物的效力和作用，采用超声波乳化可达到非常理想的效果。采用超声分散，则不需要使用乳化剂，就能使蜡及石蜡乳化、化妆水等油的微粒子分散。石腊在水中分散的粒子直径可达 1um以下。五、超声波对酒的醇化催陈技术一瓶美酒以它的酒味醇厚，绵软柔和、芳香浓郁为人青睐，人们常用陈年老酒来形容酒的珍贵，一瓶上世纪的陈酒，标价几万元，其价格的含义在于时间的存放上。酒的主要控制因素是化学变化即酸的形成，并进一步酯化，酯参与乙醇和水的缔合。刚出厂的酒含有戍醇，有辛辣味，这种气味要经过很长时间才能化解，这个缓慢变化称酒的醇化。用功率 1.6KW，频率声波处理 510min，可使酒的老熟时间缩短 1/3 到 1/2 。17.522KHZ的超六、超声波在塑料焊接方面的应用当超声波作用于热塑性的塑料接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。又由于塑料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。超声波塑料焊接的好坏取决于换能器焊头的振幅，所加压力及焊接时间等三个因素，焊接时间和焊头压力是可以调节的，振幅由换能器和变幅杆决定。这三个量相互作用有个适宜值，能量超过适宜值时，塑料的熔解量就大，焊接物易变形；若能量小，则不易焊牢，所加的压力也不能太大。这个最佳压力是焊接部分的边长与边缘每 1mm的最佳压力之积。 超声波塑料焊接的常用方法有：1、熔接法：超声波振动随焊头将超声波传导至焊件，由于两焊件处声阻大，因此产生局部高温，使焊件交界面熔化。在一定压力下，使两焊件达到美观、快速、坚固的熔接效果。2、埋植 ( 插 ) 法：螺母或其它金属欲插入塑料工件。首先将超声波传至金属，经高速振动，使金属物直接埋入成型塑胶内，同时将塑胶熔化，其固化后完成埋插。3、铆接法：欲将金属和塑料或两块性质不同的塑料接合起来，可利用超声波铆接法，使焊件不易脆化、美观、坚固。4、点焊法：利用小型焊头将两件大型塑料制品分点焊接，或整排齿状的焊头直接压于两件塑料工件上，从而达到点焊的效果。5、成型法：利用超声波将塑料工件瞬间熔化成型，当塑料凝固时可使金属或其它材质的塑料牢固。6、切除法：利用焊头及底座的特别设计方式，当塑料工件刚射出时，直接压于塑料的枝干上，通过超声波传导达到切除的效果。七、超声波清洗在所有的清洗方式中，超声波清洗是效率最高、效果最好的一种，之所以超声波清洗能够达到如此的效果，是与它独特的工作原理和清洗方法密切相关的。我们知道，在生产和生活当中，需要清洁的东西很多，需要清洗的种类和环节也很多，如：物件的清除污染物，疏通细小孔洞，常见的手工清洗方法对异型物件以及物件隐蔽处无疑无法达到要求，即使是蒸汽清洗和高压水射流清洗也无法满足对清洁度较高的需求，超声波清洗对物件还能达到杀灭细菌、溶解有机污染物、防止过腐蚀等，因此，超声波清洗被日益广泛应用于各行各业：（ 1）机械行业：防锈油脂的去除；量具的清洗；机械零部件的除油除锈；发动机、化油器及汽车零件的清洗；过滤器、滤网的疏通清洗等。（ 2）表面处理行业：电镀前的除油除锈；离子镀前清洗；磷化处理；清除积炭；清除氧化皮；清除抛光膏；金属工件表面活化处理等。（ 3）仪器仪表行业：精密零件的高清洁度装配前的清洗等。（ 4）电子行业：印刷线路板除松香、焊斑；高压触点等机械电子零件的清洗等。（ 5）医疗行业：医疗器械的清洗、消毒、杀菌、实验器皿的清洗等。（ 6）半导体行业：半导体晶片的高清洁度清洗。（ 7）钟表首、饰行业：清除油泥、灰尘、氧化层、抛光膏等。（ 8）化学、生物行业：实验器皿的清洗、除垢。（ 9）光学行业：光学器件的除油、除汗、清灰等。（ 10）纺织印染行业：清洗纺织锭子、喷丝板等。（ 11）石油化工行业：金属滤网的清洗疏通、化工容器、交换器的清洗等。八、超声波在金属焊接方面的应用按国际通行的用途，超声波金属焊有四大系列：点焊、滚焊、封切、线束，广泛应用于：汽车、制冷、太阳能、电池、电子等各个领域 超声波金属焊接适用产品：A. 动力电池多层正、负极焊接；镍氢电池镍网与镍片焊接B. 锂电池、聚合物电池铜箔与镍片焊接；铝箔与铝片焊接；铝片与镍片焊接 C. 汽车线束；电线头成型；电线互焊；多条电线互焊成线结；铜、铝线转换E. 太阳能电池、平板太阳能吸热板、铝塑复合管滚焊，铜、铝板拼接F. 电磁开关、无熔丝开关等大电流接点、触点、异种金属片的焊接G.冰箱、空调等行业铜管封尾；真空器件铜、铝管封切可水、气密九、超声波加湿器超声波技术是世界上一种比较成熟的技术，已被广泛应用在各种领域。超声波加湿器采用超声波高频震荡，将水雾化为1-5 微米的超微粒子，通过风动装置，将水雾扩散到空气中，使空气湿润并伴生丰富的负氧离子，能清新空气，增进健康，一改冬季暖气的燥热，营造舒适的生活环境。据专家介绍，超声波加湿器的优点是，加湿强度大，加湿均匀，加湿效率高；节能、省电，耗电仅为电热加湿器的110 至 115；使用寿命长，湿度自动平衡，无水自动保护；兼具医疗雾化、冷敷浴面、清洗首饰等功能。缺点是对水质有一定的要求。十、超声波检测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，或影象的特征来辨别它们。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。三、超声波的危害超声波虽然我们听不到，但是身体器官依旧会接受、反应这种震波。超声波是一种能量，传导到人体中，必然会产生某种效果。理论研究表明, 在振幅相同的条件下 , 一个物体振动的能量与振动频率成正比。超声波在介质中传播时 , 介质质点振动的频率很高 , 因而能量很大，而且容易集中，方向性又很强，所以对物质能产生强大作用。这样强大的能量是人体不能承受的，长期处于超声波环境之下，就会对人体，特别是精密器官产生损害，出现耳鸣、心悸、头晕、恶心等症状，严重可致死。低剂量的超声是潜在的致癌与致畸形的因素，而且不同频率、不同声强对不同个体有一定危害。因为超声波对固体和液体都有很强的穿透本领，能量较大时可以使物质微粒作高频振动，部分能量还可以转变为热能，使局部温度升高。高强度的脉冲超声波在含有微米级小气泡的液体中传播时，可导致气泡收缩、膨胀以至猛烈爆炸，这种现象称为“空化现象”。不久前美国著名超生物物理专家卡斯坦森指出， 某些临床使用的超声图像诊断仪的最大输出强度已达 1 千瓦平方厘米，这个强度足以使生物体产生瞬态空化现象。对生物体来说，瞬态空化作用时，靠近爆炸气泡附近的细胞会受到损伤。超声波的危害还有高温效应，震波会让物体的内部微粒高频振动，产生热效应，生物体体内过热自然会不舒服。超声波分好多波段，医用超声波只要操作得当，对人体基本无害。要注意的是飞机、工业机械等产生的超声波。而超声波产品在给人们带来福利的同时，也不可避免的产生一些危害。例如：1、超声加湿器虽然能增加空气湿度，释放大量负离子，但对人体有利的同时，也对人体有危害，尤其是对老人，小孩。超声波型加湿器的原理是利用超声波产生的高频振荡将水打散成直径只有1-5 微米的细小颗粒，再利用风动装置，将这些小颗粒吹到空气中，这些小颗粒直观的看来就是蒙蒙的水雾。这种加湿器的令人不满意的一面就是会产生“白粉”。因为水中含用大量钙，镁等离子，尤其是水质不好的地方，这些钙，镁离子也随着水雾一同扩散到空气中，这就是“白粉”。其主要原因是：超声波加湿器喷出的水雾是肉眼可见的、直径几微米的水珠颗粒，每个颗粒都是由上万个水分子组成，其中还含有大量水垢、细菌等杂质，随着水雾的喷出，水垢（俗称白粉） 、细菌等污染物也被喷到了空气中，被人体吸入造成健康隐患。 另一方面，空气中的细菌、粉尘也是几微米的颗粒，与超声波振荡加湿器喷出的颗粒大小相近，这些污染颗粒物本应该是自由沉降的，当使用超声波加湿器时，喷射出的大颗粒水珠很容易粘附这些空气中的污染物，进而将本该沉降的污染颗粒物散扬到空气中，造成二次污染！因此在对空气要求最严格的医院里是不允许使用超声波振荡型加湿器的。2、医学上诊断用的 B 超，是根据超声波遇到物体反射成像的原理研制出来的，探头放在人体表面，产生进入人体的超声波，也接收反射回的超声波，经过处理，便产生了相应的图像。而超声波在生物组织中传播，就会对生物组织产生作用，确保超声诊断的安全是一个非常重要的问题，也是一个比较复杂的问题。从根本上来说，超声波对于生物组织的效应是物理作用，大体上可分为热效应和机械效应：当超声波在介质中传播，它的部分能量会经过磨擦、热传导等过程不断转化为热能，使介质的温度升高。温度的升高会使组织产生很多变化。同时大幅度的超声波产生的机械效应，可能造成组织断裂和粉碎。因而从这个意义上来说，超声波对生物组织不是绝对安全的，会产生一定的危害。四、总结据资料显示，超声波的生物效应决定于超声剂量。在一定的剂量下它不会产生有害的作用，所以 医用超声波只要操作得当，对人体基本无害。要注意的是飞机、工业机械等产生的超声波。因此我们无需因其危害而对超声带有什么恐惧之感。只要我们了解了超声波的特性，就能有效的趋利避害，利用超声波为人类谋取更大的福利。超声的独特优势也将会在将来得到进一步的开发利用。