超声波技术及应用

超声波线缆测高仪
倒车雷达
超声波雾化器
超声波雾化器
超声波焊接机
超声波驱虫器
超声波圆筒式分散仪
超声马达
超声探伤仪
德国 Krautkramer [ K.K ] 公司
医学超声成像
线阵声纳
德国
• 基元数:3X96, • 基阵长：48米
超声波清洗仪
Байду номын сангаас
小结
• 超声波最大的特点就是可以以振动的方 式传递能量而不影响人类的听觉。 • 超声波的利用主要体现在三个方面，一 是微幅高频振动的利用，二是能量传递 效果的利用，三是超声信号的利用。 • 具体地说，就是超声马达、超声换能和 超声传感。目前的大部分超声波应用都 可以归结到这三个类别里面。
• M型：是用于观察活动界面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，可以用来观察心脏各层结构的位置、活动状态、结构 的状况等，多用于辅助心脏及大血管疫病的诊断。 • 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。可确定血管是否通 畅、官腔是否狭窄、闭塞以及病变部位。新一代的D型超 声波还能定量地测定官腔内血液的流量。近几年来科学家 又发展了彩色编码多普勒系统，可在超声心动图解剖标志 的指示下，以不同颜色显示血流的方向，色泽的深浅代表 血流的流速。现在还有立体超声显像、超声CI、超声内窥 镜等超声技术不断涌现出来，并且还可以与其他检查仪器 结合使用，使疾病的诊断准确率大大提高。
• 生物效应：加快植物种子发芽
• 超声波的基本作用原理 • 超声波和声波一样，是物质介质中的一种 弹性机械波，只是频率不同。人们所能听 到的频率上限为10～18 kHz。物理学中规定 ，高于20kHz的是超声波，上限可高至与电 磁波的微波区(>10 GHz)重叠。但一般认为 ，对气体是50MHz，对液体固体是500MHz 。超声波的产生原理是产生所需频率的电 振荡，再转换成机械振荡。
超声波的产生机制
• • • • • 电磁振动 磁致伸缩效应 压电效应 静电引力 其它形式的机械振动
超声波效应
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机械效效应：清洗、加工、抛光 声学效应：超声波探测 热效应：超声波焊接 空化效应：乳化、雾化 化学效应：
例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢；溶有氮气的水经超声处理后产生亚 硝酸；染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。
超声波在制浆造纸工业中的应用
• 纸浆预处理
•
利用超声技术处理纸浆，使之产生机械的打浆效应。研 究发现，用超声波处理木浆，具有与机械打浆、精浆相似 的效果，可对纤维细胞壁产生位移、变形以及细纤维化等 作用。这主要是由于超声波空化产生的微射流对纤维的冲 击、剪切作用，使纤维细胞壁出现裂纹、发生位移和变形 ，初生壁和次生壁外层破裂脱除，次生壁中层暴露出来； 或使纤维产生纵向分裂，发生细纤维化。超声波处理不仅 对纤维有机械打浆效应，而且经超声波处理后，纤维的保 水值增大，纤维的可及度和反应性能显著提高。对于含有 较多果胶质的纤维，利用超声波进行预处理可以达到很好 的脱胶效果。对于合成纤维的表面改性超声波更是起到了 很好的作用，可以活化纤维表面，使纤维表面含氧官能团 增加，引起纤维表面张力中极性分子增加。研究还发现， 超声对纤维。
超声波在生物技术领域的应用
超声波雾化器
• 提高种子的发芽率与遗传物质的转化率 • 超声波的生物学效应，在农作物增产和沙地绿化 等方面也有着重要意义。用超生波处理种子可提 高发芽势、发芽率与种苗的成活率，从而提高作 物产量与植树种草的成活率。如用超声波水浴对 黑皮冬瓜种子进行处理，然后进行种子发芽试验 ，结果发现超声波处理显著地促进了黑皮冬瓜种 子的萌发，提高了种子的活力；用超声波处理落 叶松、云杉等林木种子，可改善林木种子的播种 品质，提高种子发芽势和发芽率。Mason等报道 超声波也能增加鱼卵的孵化率与孵出鱼苗的成活 率。
超声波的应用
• 测量：距离、流速、流量、厚度 • 探测：超声测距、安防探测、医学成像、无损探测、 水下声纳、地质勘探、管道检漏、触摸屏 • 雾化：加湿、盆景、园艺、消毒、 • 空化：炼油、乳化 • 清洗：珠宝、首饰、精密零件 • 加工：磨削、钻孔、抛光、焊接 • 美容：按摩、洁齿 • 医疗：结石破碎、医学成像、呼吸医疗 • 马达：相机镜头、微位移控制 • 生物：促进种子发芽 • 化学：加快酒类醇化、加快化学反应速度
彩色超声波诊断仪
• 用于培养液及药物的雾化 • 超声波雾化是利用了其空化效应， 当水中的空穴发生 爆炸时，由于局部的高温、高压的作用会引起高压水流； 如果空穴的爆炸发生在水和空气的界面，将会把空穴周围 的水粉碎成非常微小的微粒，于是形成水雾从水中溢出。 利用超声波雾化原理进行液体的雾化已在生产和生活中广 泛应用，如环境加湿器、药物雾化器、无基质雾化植物培 养等。应用超声波使营养液雾化，进行室内无基质培养或 气培植物，可以解决水培养所面临的供氧困难和营养液循 环装置需求问题，在作物营养、水分和根系观察等方面的 研究与应用中是一种良好的手段。超声药物透入疗法及药 物雾化给药，可以促进药物吸收、提高药效，对于呼吸道 给药的治疗尤其有用，可以减少患者(尤其是小孩)用药的 痛苦，因而在医院得到了广泛的应用。
• 超声波空化作用 • 由于大能量的超声波作用在液体里，当液 体处于稀疏状态下时，液体会被撕裂成很 多小的空穴，这些空穴一瞬间闭合，闭合 时产生瞬间高压，即称为空化效应。这种 空化效应可细化各种物质以及制造乳浊液 ，加速待测物中的有效成分进入溶剂，进 一步提取可以增加有效成分提取率。
• 超声波反射折射原理 • 当超声波在密度均匀的介质中传播时，不 会发生折射、反射等现象。当其通过不同 的介质时，且两介质的交界面大于超声波 的波长时，就会在两介质的交界面处发生 折射和反射现象。反射声强的大小取决于 两介质声阻的差异程度及入射角的大小， 当垂直人射时反射声强
• 超声技术在造纸工业、医学、生物技术、 植物提取等方面中广阔的应用前景，进一 步开展这些技术的研究，是超声技术向有 利于工业化大生产的方向发展，具有理论 意义和实际的应用价值。
• 超声波技术在纳米材料制备中、军事、食 品加工、蚕蛹中提取蚕蛹油、柴油氧化脱 硫纺织用微胶囊制备中等的应用。
• 超声波热学机理 • 和其他形式的能一样，超声能也会转化为 热能。生成热能的多少取决于介质对超声 波的吸收所吸收能量大部分或全部将转化 为热能，从而导致组织温度升高。这种吸 收声能而引起温度升高是稳定的，所以超 声波可以在瞬间使内部温度升高，加速有 效成分的溶解。
• 超声波机械机制 • 超声波的机械作用主要是辐射压强和超声 压强引起的。辐射压强可能引起两种效应 ：其一是简单的骚动效应；其二是在溶剂 和悬浮体之间出现摩擦。这种骚动可使蛋 白质变性，细胞组织变形。而辐射压将给 予溶剂和悬浮体以不用的加速度， 即溶剂 分子的速度远大于悬浮体的速度，从而在 它们之间产生摩擦，这力量足以断开两碳 原子之键，使生物分子解聚。
超声波的特点（1）
• 超声波可以在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传 播 • 超声波可以携带较多的能量 • 超声波的传播具有方向性
• 超声波在界面上会产生折射和反射，而且可能会改变振动 模式。 • 超声波在液体中可以产生空化效应 • 超声波具有多普勒效应
超声波的特点（2）
• 容易衰减（在液体和固体中衰减较小） • 传播速度受温度影响 • 在两种不同介质的界面处反射强烈，在 许多场合必须使用耦合剂或匹配材料。 • 超声波可以聚焦。
超声波原理及应用
目录
• 超声波简介 • 超声波的应用
自然界中的超声波
超声波的类型
• • • • 纵波 横波 表面波 板波
表面波
• 表面波主要是指沿介质 表面传递，而介质的质 点沿椭圆形轨迹振动的 波。
• 表面波是一种瑞利波。
板波
在板厚与波长相当的薄板中传播的波。根据质点的振 动方向不同可将板波分为SH波和兰姆波。 SH波：水平偏振的横波在薄板中传播的波。薄板中各 质点的振动方向平行于板面而垂直于波的传播方向，相当 于固体介质表面中的横波。 兰姆波：兰姆波又分为对称型和非对称型。 对称型兰姆波的特点是薄板中心质点作纵向振动，上 下表面质点作椭圆运动、振动相位相反并对称于中心。 非对称型兰姆波特点是薄板中心质点作横向振动，上 下表面质点作椭圆运动、相位相同。
• 打浆 • 纤维素纤维受超声波处理后解聚，由于高 分子化合物与液体之间超声速度差产生摩 擦力，
• 使纤维结构破坏。使用超声波处理各种纸 浆，使纤维达到润胀，外层剥离，细纤维 化，从而增加成纸强度
超声波振动筛
打浆机
超声波在医学诊断中的应用
根据不同的成像原 理，超声波诊断方 法可以分为A型、B 型、M型及D型四大 类
左上为A型，右上为B型， 左下为M型，右下为D型
• 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。 可用来鉴别病变组织的一些物理特性，如 实质性、液体或是气体是否存在等。 • B型：用平面图形的形式来显示被探查组 织的具体情况。检查时，首先将人体界面 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，这种方法直 观性好，重复性强，可供前后对比，所以 广泛用于妇产科、泌尿、消化及心血管等 系统疾病的诊断。
超声波在植物提取中的应用
• 超声提取法广泛应用于多糖的 提取中，例如用超声法提取新 疆枸杞多糖，多糖收率提高30 ％，提取时间缩短5倍以上，并 且整个过程无需加热，避免了 多糖的分解。所以超声提取对 于某些热敏性的成分的提取无 疑是最有效的方法之一。同样 ，超声提取技术在新疆甘草多 糖的提取中也有良好的应用前 景，实验结果表明用超声法提 取得甘草多糖的收率提高36％ ，时间缩短3倍以上。超声提取 之所以能高效地完成提取任务 ，原因是超声波的空化效应产 生极大的压力造成被粉碎物细 胞壁及整个生物体的破碎，而 且整个破碎过程在瞬间完成；