⑴ 什么是次声波和超声波
人生活在声波的世界里。说话声、唱歌声、音乐声、行车声、嘈杂声……其实,人能听到的仅是声波的一部分。实验表明,人仅能听到频率在20~20000赫以内的声波。这个范围内的声波叫可闻声波。低于20赫的叫次声波,高于20000赫的叫超声波。次声波和超声波是人听不见的。可闻声主要应用于语言交流和音乐等。次声波波长长,绕射能力强,不易被水、空气和一般障碍阻挡吸收。地震、核爆炸产生的次声可绕地球传播两三周。因此次声可用来探测高空气象、侦察核爆炸、预测地震等。超声波波长短,对液体和固体有较强的穿透能力,可用来对机械零件探伤,诊断人体内脏器官病变、粉碎肾结石。还可用来清洗机械、仪器零件等。
19世纪时,德国科学家克拉尼通过实验得出:2万赫是人耳所能听到的声波的上限。后来人们就把这种超过2万赫的人耳不能听到的声波叫做超声波。
神奇的超声与次声超声波有两个很重要的特性:第一是它的定向性。由于超声波的频率很高,所以波长很短,因此它可以像光那样沿直线传播,而不像那些波长较长的声波会绕过物体前进。超声波碰到障碍物就会反射回来,通过接收和分析反射波,就可以测定障碍物的方向和距离。在自然界里,蝙蝠就是用口器发出超声波,用耳朵接收反射波来辨别障碍物的,因此它在漆黑的岩洞里能够飞翔自如,还能准确无误地捕捉到小飞虫呢!
超声波的第二个特点是它在水里能传播很远的距离。在空气中,3万赫的超声波前进24米,强度就减弱过半;而在水里,它前进44千米强度才减弱一半,是空气中传播距离的1800倍左右。由于光和其他电磁波在水里步履维艰,走不了多远,因此超声波便成了探测水中物体的首选工具了。
第一次世界大战的时候,德国潜水艇凭借浩瀚的海洋做掩护,频频袭击英国和法国的巡洋舰。此时,法国科学家朗之万心急如焚,他经过苦心钻研,发明了一种叫声呐的仪器。声呐由超声波发生器和接收器两部分组成。发声器主动发出超声波,接收器接收并测量各种回声,通过计算发出和收到信号的时间间隔来发现各种目标。精密的主动声呐不仅能够确定目标的位置、形状,甚至还能分析出敌潜艇的许多性能呢。
在和平的年代里,声呐还被用来探测鱼群、测定暗礁、港口导航等。用现代的侧扫声呐来考察海底的情况,它能清晰地把海底地貌描绘到图纸上,画出精确的“地貌声图”,误差不超过20厘米。
同样的道理,把超声波送入人体,产生的反射波经过电子设备的处理,会在荧光屏上显示出清晰的图像,把人体内脏的大小、位置、彼此间的关系和生理状况反映得清清楚楚。大家熟悉的医院里常做的B超检查,就是用B型超声波来检查肝、胆、胰以及子宫、盆腔、卵巢等重要内脏器官,及时发现其中的结石、肿瘤等病变。利用超声波,医生还能对怀孕妇女腹中的胎儿进行检查。
超声波检测的原理应用到工程上,就是超声探伤。只要向工件发射一束超声波,遇到工件内隐藏的裂纹、砂眼、气泡等,超声波就会发生不正常的反射波,再小的缺陷也逃不过它的检测。超声波成了工程师明亮的“眼睛”。
超声技术
自19世纪末到20世纪初,在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后,人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法,从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。
1922年,德国出现了首例超声波治疗的发明专利。40年代末期超声治疗在欧美兴起,1949年召开的第一次国际医学超声波学术会议上,才有了超声治疗方面的论文交流,为超声治疗学的发展奠定了基础。1956年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表,超声治疗进入了实用成熟阶段。
国内在超声治疗领域起步稍晚,1950年首先在北京开始用800KHz频率的超声治疗机治疗多种疾病,至50年代开始逐步推广,并有了国产仪器。到了70年代有了各型国产超声治疗仪,超声疗法普及到全国各大型医院。
⑵ 谁知道有关超声波、次声波的知识
超声波的频率高至20000Hz以上(每秒振动20000次以上),由于它的频率高,因此具有以下特点:(a)方向性好,几乎沿直线传播;(b)穿透能力强,能穿透许多电磁波不能穿透的物质;(c)在媒质中传播时能产生巨大的作用力,可以用来为硬质材料做切割、凿孔等,也可以用来清洗和消毒等对于超声波的应用,我们比较熟悉的就是医院中常用的B超,它是把超声波射入人体,根据人体组织对超声波的传导和反射能力的变化来判断有无异常,如对人体脏器做病变检查、结石检查等,它具有对人体无损伤、简便迅速的优点.
次声又称亚声,是频率在20Hz以下的低频率波.许多自然灾害如地震、火山爆发、龙卷风等在发生前都会发出次声波.次声波对人体能够造成危害,引起头痛、呕吐、呼吸困难等症状.在20世纪30年代,美国一位物理学家做过实验:他把一台次声发生器带进剧场,开演后悄悄地打开,然后坐在自己的包厢内观察动静,只见坐在次声器四周的观众产生一种惶恐不安和迷惑不解的神情,并很快蔓延到整个剧场.次声波的特点是来源广、传播远、穿透力强科学家们利用它来预测台风、研究大气结构等.在军事上可以利用次声来侦察大气中的核爆炸、跟踪导弹等等.
1890年, 一艘名叫“马尔波罗号”帆船在从新西兰驶往英国的途中,突然神秘地失踪了. 20年后,人们在火地岛海岸边发现了它.奇怪的是:船上的开都原封未动.完好如初.船长航海日记的字迹仍然依稀可辨;就连那些死已多年的船员,也都“各在其位”,保持着当年在岗时的“姿势”;
1948年初,一艘荷兰货船在通过马六甲海峡时,一场风暴过后,全船海员莫明其妙地死光;在匈牙利鲍拉得利山洞入口, 3名旅游者齐刷刷地突然倒地,停止了呼吸......
上述惨案,引起了科学家们的普遍关注,其中不少人还对船员的遇难原因进行了长期的研究.就以本文开头的那桩惨案来说,船员们是怎么死的?是死于天火或是雷击的吗?不是,因为船上没有丝毫燃烧的痕迹;是死于海盗的刀下的吗?不!遇难者遗骸上看到死前打斗的迹象;是死于饥饿干渴的吗?也不是!船上当时贮存着足够的食物和淡水.至于前面提到的第二桩和第三桩惨案,是自杀还是他杀?死因何在?凶手是谁?检验的结果是:在所有遇难者身上,都没有找到任何伤痕,也不存在中毒迹象.显然,谋杀或者自杀之说已不成立.那么,是以及病一类心脑血管疾病的突然发作致死的吗?法医的解剖报告表明,死者生前个个都很健壮!
经过反复调查,终于弄清了制造上述惨案的“凶手”,是一种为人们所不很了解的次声的声波.次声波是一种每秒钟振动数很少,人耳听不到的声波.次声的声波频率很低,一般均在20兆赫以下,波长却很长,传播距离也很远.它比一般的声波、光波和无线电波都要传得远.例如,频率低于1赫的次声波,可以传到几千以至上万公里以外的地方.1960年,南美洲的智利发生大地震,地震时产生的次声波传遍了全世界的每一个角落!1961年,苏联在北极圈内进行了一次核爆炸,产生的次声波竟绕地球转了5圈之后才消失!
次声波具有极强的穿透力,不仅可以穿透大气、海水、土壤,而且还能穿透坚固的钢筋水泥构成的建筑物,甚至连坦克、军舰、潜艇和飞机都不在话下.次声穿透人体时,不仅能使人产生头晕、烦燥、耳鸣、恶心、心悸、视物模糊,吞咽困难、胃痛、肝功能失调、四肢麻木,而且还可能破坏大脑神经系统,造成大脑组织的重大损伤.次声波对心脏影响最为严重,最终可导致死亡.
为什么次声波能致人于死呢?
原来,人体内脏固有的振动频率和次声频率相近似(0.01~20赫),倘若外来的次声频率与体内脏的振动频率相似或相同,就会引起人体内脏的“共振”,从而使人产生上面提到的头晕、烦躁、耳鸣、恶心等等一系列症状.特别是当人的腹腔、胸腔等固有的振动频率与外来次声频率一致时,更易引起人体内脏的共振,使人体内脏受损而丧命.前面开头提到的发生在马六甲海峡的那桩惨案,就是因为这艘货船在驶近该海峡时,恰遇上海上起了风暴.风暴与海浪摩擦,产生了次声波.次声波使人的心脏及其它内脏剧烈抖动、狂跳,以致血管破裂,最后促使死亡.
次声虽然无形,但它却时刻在产生并威胁着人类的安全.在自然界,例如太阳磁暴、海峡咆哮、雷鸣电闪、气压突变;在工厂,机械的撞击、摩擦;军事上的原子弹、氢弹爆炸试验等等,都可以产生次声波.
由于次声波具有极强的穿透力,因此,国际海难救助组织就在一些远离大陆的岛上建立起“次声定位站”,监测着海潮的洋面.一旦船只或飞机失事附海,可以迅速测定方位,进行救助.
近年来,一些国家利用次声能够“杀人”这一特性,致力次声武器——次声炸弹的研制尽管眼下尚处于研制阶段,但科学家们预言;只要次声炸弹一声爆炸,瞬息之间,在方圆十几公里的地面上,所有的人都将被杀死,且无一能幸免.次声武器能够穿透15厘米的混凝土和坦克钢板.人即使躲到防空洞或钻进坦克的“肚子”里,也还是一样地难逃残废的厄运.次声炸弹和中子弹一样,只杀伤生物而无损于建筑物.但两者相比,次声弹的杀伤力远比中子弹强得多.
<作用>:
超声波:
超声治疗学是超声医学的重要组成部分。超声治疗时将超声波能量作用于人体病变部位,以达到治疗疾患和促进机体康复的目的。
在全球,超声波广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域。赛福瑞家用超声治疗机属于超声波治疗学的运用范畴。
(一)工程学方面的应用:水下定位与通讯、地下资源勘查等
(二)生物学方面的应用:剪切大分子、生物工程及处理种子等
(三)诊断学方面的应用:A型、B型、M型、D型、双功及彩超等
(四)治疗学方面的应用:理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科等
超声波的特点:
1、超声波在传播时,方向性强,能量易于集中。
2、超声波能在各种不同媒质中传播,且可传播足够远的距离。
3、超声与传声媒质的相互作用适中,易于携带有关传声媒质状态的信息(诊断或对传声媒质产生效应。(治疗)
超声波是一种波动形式,它可以作为探测与负载信息的载体或媒介(如B超等用作诊断);超声波同时又是一种能量形式,当其强度超过一定值时,它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用,去影响,改变以致破坏后者的状态,性质及结构(用作治疗)。
超声波的发展史:
一、国际方面:
自19世纪末到20世纪初,在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后,人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法,从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。
1922年,德国出现了首例超声波治疗的发明专利。
1939年发表了有关超声波治疗取得临床效果的文献报道。
40年代末期超声治疗在欧美兴起,直到1949年召开的第一次国际医学超声波学术会议上,才有了超声治疗方面的论文交流,为超声治疗学的发展奠定了基础。1956年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表,超声治疗进入了实用成熟阶段。
二、国内方面:
国内在超声治疗领域起步稍晚,于20世纪50年代初才只有少数医院开展超声治疗工作,从1950年首先在北京开始用800KHz频率的超声治疗机治疗多种疾病,至50年代开始逐步推广,并有了国产仪器。公开的文献报道始见于1957年。到了70年代有了各型国产超声治疗仪,超声疗法普及到全国各大型医院。
40多年来,全国各大医院已积累了相当数量的资料和比较丰富的临床经验。特别是20世纪80年代初出现的超声体外机械波碎石术和超声外科,是结石症治疗史上的重大突破。如今已在国际范围内推广应用。高强度聚焦超声无创外科,已使超声治疗在当代医疗技术中占据重要位置。而在21世纪(HIFU)超声聚焦外科已被誉为是21世纪治疗肿瘤的最新技术。
超声波治病机理:
1.机械效应:超声在介质中前进时所产生的效应。(超声在介质中传播是由反射而产生的机械效应)它可引起机体若干反应。超声振动可引起组织细胞内物质运动,由于超声的细微按摩,使细胞浆流动、细胞震荡、旋转、摩擦、从而产生细胞按摩的作用,也称为“内按摩”这是超声波治疗所独有的特性,可以改变细胞膜的通透性,刺激细胞半透膜的弥散过程,促进新陈代谢、加速血液和淋巴循环、改善细胞缺血缺氧状态,改善组织营养、改变蛋白合成率、提高再生机能等。使细胞内部结构发生变化,导致细胞的功能变化,使坚硬的结缔组织延伸,松软。
超声波的机械作用可软化组织,增强渗透,提高代谢,促进血液循环,刺激神经系统和细胞功能,因此具有超声波独特的治疗意义。
2.温热效应:人体组织对超声能量有比较大的吸收本领,因此当超声波在人体组织中传播过程中,其能量不断地被组织吸收而变成热量,其结果是组织的自身温度升高。
产热过程既是机械能在介质中转变成热能的能量转换过程。即内生热。超声温热效应可增加血液循环,加速代谢,改善局部组织营养,增强酶活力。一般情况下,超声波的热作用以骨和结缔组织为显著,脂肪与血液为最少。
3.理化效应:超声的机械效应和温热效应均可促发若干物理化学变化。实践证明一些理化效应往往是上述效应的继发效应。TS-C型治疗机通过理化效应继发出下列五大作用:
A.弥散作用:超声波可以提高生物膜的通透性,超声波作用后,细胞膜对钾,钙离子的通透性发生较强的改变。从而增强生物膜弥散过程,促进物质交换,加速代谢,改善组织营养。
B.触变作用:超声作用下,可使凝胶转化为溶胶状态。对肌肉,肌腱的软化作用,以及对一些与组织缺水有关的病理改变。如类风湿性关节炎病变和关节、肌腱、韧带的退行性病变的治疗。
C.空化作用:空化形成,或保持稳定的单向振动,或继发膨胀以致崩溃,细胞功能改变,细胞内钙水平增高。成纤维细胞受激活,蛋白合成增加,血管通透性增加,血管形成加速,胶原张力增加。
D.聚合作用与解聚作用:水分子聚合是将多个相同或相似的分子合成一个较大的分子过程。大分子解聚,是将大分子的化学物变成小分子的过程。可使关节内增加水解酶和原酶活性增加。
E.消炎,修复细胞和分子:超声作用下,可使组织PH值向碱性方面发展。缓解炎症所伴有的局部酸中毒。超声可影响血流量,产生致炎症作用,抑制并起到抗炎作用。使白细胞移动,促进血管生成。胶原合成及成熟。促进或抑制损伤的修复和愈合过程。从而达到对受损细胞组织进行清理、激活、修复的过程。
次声波:
由于次声的频率很低,所以大气对次声波的吸收系数很小,因而其穿透力极强,可传播至极远处而能量衰减很小。10Hz以下的次声波可以传播至数千千米的距离。1983年夏,位于印度尼西亚苏门答腊岛和爪哇岛之间的喀拉喀托火山爆发,火山爆发时产生的强次声波绕地球转了3圈,历时108小时后才慢慢消逝。全世界的微气压计都记录到了它的振动余波。1986年1月29日,美国航天飞机"挑战者"号升空爆炸,爆炸产生的次声波历时12小时53分钟,其爆炸威力之强,连远在1万多千米处的我国北京香山中科院声学研究所监测站的监测仪都"听"到了。通常的隔音吸音方法对次声波的特强穿透力作用极微,7000 Hz的声波用一张纸即可隔挡,而7Hz的次声波用一堵厚墙也挡不住,次声波可以穿透十几米厚的钢筋混凝土。
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参考资料:http://..com/question/387088.html
次声波是频率低于20赫兹的声波。一般来说,人耳所能接受的声波在20—20000赫兹之间,声波频率高于20000赫兹的,称为超声波;低于20赫兹的约则为次声波。次声波与超声波一样都看不见、听不到、摸不着,但次声波频率低、波长长,所以传播距离很远。次声波的另一个重要特性是有较强的穿透能力,既能穿透空气、海水、土壤,也能穿透飞机机体、舰艇壳件、坦克车体,以及坚固的钢筋混凝土构体。例如频率为3.44赫兹的次声波,其波长100米,能穿透建筑物的坚固墙壁,当然,对于人体来说更是不在话下。
据报道,次声波亡人的事件还真有不少。1980年,一艘名叫“马尔波罗”的帆船在由新西兰驶往英国的途中突然神秘地失踪;20年后,却在火地岛附近被人发现。船上的一切都原封不动、完好如初。就连已死多年的船员也都各就各位,保持着工作状态。科学家对他们的神秘死亡引起了极大的关注,经过长期研究,终于发现,原来他们正是死于海上风暴产生的次声。
1992年11月24日,桂林上空发生了一起空难,141人死亡,成为中国民航史上最惨烈的飞机失事事件。当事件的原因经多方解释而未肯定之时,中国声学研究所的专家,提出了存在着因“次声波”的作用而致使飞机坠毁的可能性。桂林属半丘陵地带,气团依山势走向而上下浮动,引起气流震动,会产生一种“山背波”的次声波,当飞机遇到这种危害极大的由次声波引起的晴空湍流时,如同落入一个风旋涡中,在挤压力、冲力等多种强劲外力的作用下,将造成飞机失控、产生机毁人亡的恶果。最近研究结果表明,次声波对飞机的影响还有一种“生物效应”。该理论认为,当次声波的频率接近人体频率时,就有可能产生“共振”,飞机驾驶员无法承受这种强烈的效应,就有致命的危险。也就是说,此次空难的凶手很可能就是这种次声波。
那么,次声波为何会造成人员不流血却出现严重伤亡的现象呢?科学研究表明:人体的内脏,有其固有的振动频率,而这种频率也在0.01—20赫兹之间,也就是说,它和次声波的频率相似。这样一来,当外来的次声波不管是自然形成的,还是人为制造的,一旦它的振动频率与人体内脏的振动频率相同或接近时,就会引起各种脏器的共振,这一共振便会使人烦躁、耳鸣、头痛、失眠、恶心、视觉模糊、吞咽困难、肝胃功能失调紊乱;严重时,还会使人四肢麻木、胸部有压迫感。特别是与人的腹腔、胸腔和颅腔的固有振动频率一致时,就会与内脏、大脑等产生共振,甚至危及性命。
次声波这些神奇的功能:无声无息地传播,波长不易衰减,且易与自然界的次声波混在一起,难以被人察觉等特点,早就引起军事专家的高度注意。一些国家正在是利用次声波的性质进行次声波武器的研制。初步选定利用次声波进行作战的方向是次声波发生器和次声波炸弹。
⑶ 什么是超声波
超声波是频率高于20000赫兹的声波,它方向性好,穿透能力强,易于获得较集中的声能,在水中传播距离远,可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。
⑷ 超声波是什么有什么益处及害处
超声波治疗就是将超声波作用于人体,通过神经体液途径影响身体某一阶段或全身,使人体组织产生机械作用、热作用和空化作用,导致人体局部组织血流加速,血液循环改善,血管壁蠕动增加,细胞膜通透性加强,离子重新分布,新陈代谢旺盛,组织中氢离子浓度减低,PH值增加,酶活性增强,组织再生修复能力加强,肌肉放松,肌张力下降,疼痛减轻或缓解,从而达到治疗的作用。
⑸ 什么是超声波
B型超声波检查,已在医院的许多方面得到了应用,它已成为医生检查及诊断的好帮手。
这种检查方法对人体无损害、无痛苦。病人躺在床上,医生用一个探测头,在被检查的部位来回移动,荧光屏上就可以显示波形和图像。如配合电子计算机,一秒种就可以拍摄数十张超声断层像片,为诊断疾病提供依据。
那么,什么是超声波?它是从什么时候开始用于医学检查的?它给我们什么启示?
大家知道,声音是以波的形式传播的。当我们在空旷的大厅或山谷里大声喊叫时,可以听到响亮的回声,这就是声波的反射。但是,我们耳朵的听力很有限,当声波频率超过2万赫兹时就听不到了。这种声波被称为超声波。
人们观察到蝙幅就是利用自己发出的超声波来辨别方向而准确无误地飞行、捕食的。超声波在本质上与能听到的声音一样,只是频率很高,波长很短,基本上沿直线传播,而且可以反射、折射、绕射以及吸收、衰减等,它在固体和液体中比普通声音更容易传播。在它的传播过程中,如果遇到两种不同物体的界面,由于物体对超声波的阻力(称为声阻)不同,就产生界面反射。
⑹ 超声波基本原理的基本原理
超声波是声波的一部分,是人耳听不见、频率高于20KHZ的声波,它和声波有共同之处,即都是由物质振动而产生的,并且只能在介质中传播;同时,它也广泛地存在于自然界,许多动物都能发射和接收超声波,其中以蝙蝠最为突出,它能利用微弱的超声回波在黑暗中飞行并捕捉食物。但超声还有它的特殊性质'如具有较高的频率与较短的波长,所以,它也与波长很短的光波有相似之处。 超声波是弹性机械振动波,它与可听声相比还有一些特点:传播的方向较强,可聚集成定向狭小的线束;在传播介质质点振动的加速度非常之大;在液体介质中当超声强度达到一定值后便会发生空化现象。
一、束射特性
从声源发出的声波向某一方向(其他方向甚弱)定向地传播,称之为束射。 超声波由于它的波长较短,当它通过小孔(大于波长的孔)时,会呈现出集中的一束射线向一定方向前进。又由于超声方向性强,所以可定向采集信息。同样当超声波传播的方向上有一障碍 物的直径大于波长时,便会在障碍物后产生“声影”。这些犹如光线通过小孔和障碍物一样,所以超声波具有和光波相似的束射特性。
超声波的束射性的好坏,一般用发散角的大小来衡量(习惯上
用半发射角臼表示)。以平面圆形活塞式声源为例,其大小决定
于声源的宜径(D)和声波的波长(λ)。由此看出,要使发声体发射出方向性有较好的超声波,必须使θ角尽量小,发射体(声源)的直痉D必须很大或发射的频率f也必须很高才能得到,否则将适得其反。由于超声波的波长要比可听声的波长短,所以它就比可听声波有较好的束射特性,频率愈高的超声波,波长愈短,这种向一定方向传播的特性就愈显著。 超声波在各种介质传播时,随着传播距离的增加,超声强度会渐渐减弱,能量逐渐消耗,这种能量被介质吸收掉的特性,称之为声吸收。1845年斯托克斯(Stoke。G.G.)发现:当声波通过液体,因液体质点相对运动而产生的内摩擦(即粘滞作用)导致声吸收,因而导出了由介质的内摩擦或粘性引起的液体中声吸收公式。还有,当声波在液体介质中传播时,压缩区的温度将高于平均温度;相反,稀疏区的温度低于平均温度,因此,由于热传导使声波的压缩和稀疏部分之间进行热交换,从而引起声波能量的减少1868年基尔霍夫(Kirchhoff G.)导出了由热传导引起的声吸收公式。
由此看出,吸收系数a与声波频率的平方成正比,当频率增加10倍,则吸收系数就增大100倍。即频率愈高,吸收愈大,因而声波传播的距离愈小。在气体中,1920年爱因斯坦提出了由声频散来确定缔合气体的反应率,从而促进了对气体分子热弛豫吸收机制延伸到液体的研究,得出了由于介质中的分子相互之间的碰撞引起分子热弛豫吸收。所以低频声波在空气中可以传播很远距离,而高频声波在空气中很快的衰减了。
在固体中,声吸收在很大程度上取决于固体的实际结构。
由以上看出引起不同介质对声吸收的原因很多,但主要原因是介质的粘滞性、热传导、介质的实际结构及介质的微观动力学过程中引起的弛豫效应等,这些介质中的声吸收都随着声的频率而变化。超声波是高频率的声波,在同一介质中传播时,随着频率的增大,被介质吸收的能量就愈大。例如频率为105Hz的超声波在空气中被吸收的能量比频率为104Hz的声波大100倍;对同一频率的超声波因传播的介质不同。如在气体、液体、固体中传播时,其吸收分别为最厉害、较弱、最小。所以超声波在空气中传播距离最短。
超声波在均匀介质中传播时,由于介质的吸收,而影响声强度随距离的增加而减弱,这就是声波衰减。
当超声波起始强度为J0,经过x米距离后,其强度为
Jx= Joe-2ax“ ’
式中a为吸收系数(衰减系数)。
由上可得在各种介质中声波的吸收系数,
由此看出超声强度是以指数而衰减的。例如频率为106Hz的超声波在离开声源以后,在空气中经过0. 5m距离,其强度就要减弱一半;在水中传播,要经过500m的距离后才使强度减弱一半,
可看出在水中传播的距离相当于在空气中传播距离的1000倍。随着频率的增高,衰减越快。如频率为1011Hz的超声在空气中传播,当在离开声源的一刹那间就会全部消失得无影无踪。在粘度很大的液体中,超声被吸收得更快。例如在200C时,使频率为300kHz的超声的强度减至一半,只需0.4m厚的空气就够了,至
于在水中就要经过440m,在变压器油中就要传播100m左右,而在石蜡中只需传播3m左右。因此,粒度极大的物质(橡皮、胶木、沥青)则是超声波良好的绝缘体。 超声波传播的能量比可听声大得多。因为当声波到达某一物质时,由于声波的作用使物质中的分子也跟着振动,振动的频率和声波频率一样,所以分子振动频率决定了分子振动的速度,频率越高速度越大。从而物质的分子由振动而获得了能量,其能量除了与分子的质量有关外,还与分子的振动速度的平方成正比,而振动速度又与分子振动的频率有关,所以声波的频率越高,也就是物质分子得到的能量越高。超声波的频率比声波的频率可高得多,所以超声波可使物质分子获得更大的能量。由此说明超声波本身可
以供给物质足够大的能量。
我们平常人耳能听到的声波频率低、能量小。如高声谈话声约等于50uW/cm2的强度。但超声波所具有的能量就比声波大得多。例如频率为106Hz的超声振动所具有的能量,比振幅相同而频卒为103Hz的声波振动的能量要大100万倍,因为声波的能量与频率的平方成正比。由此看出,主要是超声波的巨大机械能量
使物质质点产生了极大的加速度。
在一般工作中,正常响度的扬声器的声强为2·10-9W/cm2;炮的射击声的声强为10 - 3W/cm2;中等响度的声音使水的质点所获得的加速度只有重力加速度(980cm/s2)的百分之几,所以不会对水产生影响。然而如果把超声作用于水中,使水质点所达到的加速度可能比重力加速度大几十万倍甚至几百万倍,所以就会使
水质点产生急速运动。它在超声提取中有着极其重要的作用。 空化现象是液体中常见的一种物理现象。在液体中由于涡流或超声波等物理作用,致使液体的某些地方形成局部的负压区,从而引起液体或液体一固体界面的断裂,形成微小的空泡或气泡。液体中产生的这些空泡或气泡处于非稳定状态,有初生、发育、随后迅速闭合的过程,当它们迅速闭合破灭时,会产生一种微激波,使局部区域有很大的压强。这种空泡或气泡在液体中形成和随后迅速闭合的现象,称为空化现象。
关于空化基本过程以及空化与沸腾的区别简述如下:当液体在恒压下加热或在恒温下用静力或动力方法减压时,可达到茌液体中有蒸气空泡或充满气体的空泡(或空穴)开始出现并发育,随后又闭合。这一状态若由温度升高所引起,称之为“沸腾”;若温度基本不变而由局部压力下降所引起,称之为“空化”。
由以上空化基本过程看出空化有以下特征:空化是一种液体中出现的现象,在任何正常环境下,固体或气体都不会发生空化;空化是液体减压的结果,因此大体上可由控制减压程度来控制空化现象;空化是一种动力学现象,它涉及空泡的发育与闭合。
超声空化是强超声在液体中传播时,引起的一种特有的物理现象,也是引起液体中空腔的产生、长大、压缩、闭合、反跳快速重复性运动的特有的物理过程。在空泡崩溃闭合时产生局部高压、高温,由于声场中的频率、声强和液体的表面张力、粘度以及周围环境的温度和压力等影响,液体中的微小气核在声场的作用下响应可能是缓和的,也可能是强烈的。故人们将声空化分为稳态和瞬态两种空化类型。
稳态空化主要是指那些内含气体和蒸气的空化泡的动力学行为,是一种较长寿命的气泡振动。这种空化过程一般在小于1W/cm2声强时产生,空化气泡振动时间长,且持续几个声波周期。在声场中这种振动气泡,由于在膨胀时气泡的表面积比压缩时大,使膨胀时扩散到泡内的气体比压缩时扩散到泡外的多,而使气泡在振动过程中增大。当振动振幅足够大时,会使气泡由稳态转变为瞬态空化,继而发生崩溃。
瞬态空化一般指在大于1W/cm2的声强时所产生的空化气泡,振动只在一个声周期内完成。这种在声场中振动的气泡,当声强足够高、声压为负半周时,液体受到大的拉力,气泡核迅速胀大,可达到原来尺寸的数倍;继而在声压正半周时,气泡受到压缩因突然崩溃而裂解成许多小气泡,以构成新的空化核。在气泡迅速收缩时,泡内的气体或蒸气被压缩,而在空化泡崩溃的极短时间,泡内产生约5000K的高温,类似太阳表面的温度;局部产生约500大气压的高压,相当于深海底的压力;温度变化率高达109K/s;并伴随产生强烈的冲击波和时速达400km的射流、发光现象,也可听到小的爆裂声。可见空化所提供的能量,使局部产生高压、高温、高梯度流动,为药材中难以提取的成分提供了一种新的提取途径。
对超声空化的研究,始于20世纪30年代,在Monnesco和Frenzel等发现声发光(SL)后,由追索发光起因引起的对超声空化气泡运动的研究及对其基本效应的测量。他们采用对液体中超声空化群体气泡进行测量,研究丁“多泡空化”;到20世纪60年代中国科学院汪承灏、张德俊等在应崇福院士指导下,研究了用动力式方法产生的单一空化气泡的完整运动过程,并实验证明了空化的光辐射和电磁辐射均发生于气泡闭合时刻,他们还研究了空化的
乳化作用及机械效应。20世纪80年代美国Gaitan和Crum等人采用声悬浮技术将单一气泡“囚禁”在容器的驻波场波腹处,使之与外加超声场同步产生周期性的空化过程,并进行了测量。这些成果都为超声在工农业、医学等方面的应用提供了理论基础,也为超声空化的测量提供了条件。
空化强度的测量
根据目前的报导,超声空化强度还没有一种绝对的测定方法,但超声在实际中的应用效果在某些方面是与空化强度有着直接关系,所以想方设法测量空化强度在实际应用中有着重要的意义。而空化强度不但和空化泡闭合时所产生的压力大小、单位体积中的空化泡数量有关,还与各种类型的空化泡有关,所以只能测量相对强度。目前主要是从超声清洗的角度研究,以直接衡量超声清洗的效果,其方法有:
腐蚀法:将厚度约20um的铝、锡或铅箔置于声场中一定距离上受空化腐蚀,在一定的时间内取出,称出腐蚀样的重量,以衡量相对的空化强度,这种方法称之为膺蚀法。这种方法可测量由液体表面到不同深度的相对空化强度。测量的方法是要求金属样品表面光洁度一致,进行多次测量,以求出平均值。
化学法:将碘化钠置于四氯化碳中,在声空化作用下以释放出碘的多少,来衡量相对的空化强度,这种方法称为化学法。这种方法是用分光光度计或者放射性示踪方法作释放碘的定量测定。因为在超声强度5 -30 W/cm2,处理1 min,碘的释放量随声强的增加而增加,故以释放量的大小,测定其空化强度。
清除污物法:用带有放射性污物的工件作为清洗样品,用超声清洗后,定量测量污物除去的数量,以此衡量超声清洗的效果或相对的空化强度,这种方法称之为清除污物法。在实际应用中还有测量空化噪声的方法等,在此不多述了。
超声空化的消极作用及应用
由于声空化现象产生气泡的非线性振动以及它们破灭时产生爆破压力,所以伴随空化现象能产生许多物理和化学效应。这些效应有消极方面的作用,但也有在工程技术中得到应用的方面。如舰船用的高速旋转的螺旋桨桨叶的表面,常受到空化产生的压力打击作用,“腐蚀”成一些斑痕。空化严重时,大量气泡的出现会影响螺旋桨的推力。在民用工业中,空化“腐蚀”会损坏管道和器件。然而,利用空化产生的激波打击作用,或气泡闭合的局部高温可以在工业中得到有益的利用。如超声清洗,就是利用声波复杂构造异形的孔道,借助超声空化能对放在洗涤剂中的机件微型机件清洗;也可在锅炉中进行超声除垢和防水垢沉积;还可利用空化对药剂生产过程进行乳化,在工业上制备油一水之类混合溶液的乳剂;进行超声焊接(破坏金属表面氧化层,促金属焊接);利用超声空化促进某些化学反应过程;打破植物细壁,促进化学成分向溶剂中溶解,提高化学成分提出率等应用。
一、 超声原理概述超声波清洗的原理是发生器产的高频振荡电信号。通过换能器转换成高频的机械振动,传播到清洗液中,对工件实施高效的清洗。其工作机理是运用空化作用成倍或十几售地提高清洗效果。当把液体放入清洗机内,施加超声波后,由于超声波在清洗液中是一种疏密相间,辐射传播的高频波,从而使液体高速往复振动。在振动的负压区由于周围的液体来不及补充,形成无数的微小真空气泡,而在正压区,微小气泡在压力下突然闭合,在闭合过程中由于液体间相互碰撞产生强大的冲击波形成最高可达几千个大气压的瞬时高压,作用在被清洗的工件上。吸附在工件上的油腻、杂质在连续不断的瞬时高压作用下迅速脱离工件。从而达到清洁的目的。 超声波的两个主要参数 超声波的两个主要参数: 频率:F≥20KHz; 功率密度:p=发射功率(W)/发射面积(cm2);通常p≥0.3w/cm2; 在液体中传播的超声波能对物体表面的污物进行清洗,其原理可用“空化”现象来解释:超声波振动在液体中传播的音波压强达到一个大气压时,其功率密度为0.35w/cm2,这时超声波的音波压强峰值就可达到真空或负压,但实际上无负压存在,因此在液体中产生一个很大的压力,将液体分子拉裂成空洞一空化核。此空洞非常接近真空,它在超声波压强反向达到最大时破裂,由于破裂而产生的强烈冲击将物体表面的污物撞击下来。这种由无数细小的空化气泡破裂而产生的冲击波现象称为“空化”现象。 太小的声强无法产生空化效应。 超声波清洗机由三个主要部分组成: (1)装载清洗液的不锈钢清洗缸 (2)超声波发生器(3)超声波换能器 超声波清洗机具有清洁度高,机器噪音小、设备寿命长等优点。并能对几何形状比较复杂,例如有各种盲孔、微孔、深孔等用其他清洗方法难以清洗的零件进行高效清洗。由于具有以上独特的性能,所以越来越被人们认识和接受。二、 设备特点当超声波清洗机注满水接通电源后,电路把50赫兹的交流电转换成超声波频率的交流电、产生振荡,这种振荡的形成就是通过电感及换能器电容组成谐振电路,并将振荡信号通过反馈持继不断地进行下去。经晶体管进行放大后再送给串联谐振电路。这个谐振频率在机器出厂前精确地调整在换能器固有谐振频率上,以发挥换能器最佳效果。 换能器是通过螺柱和强力粘合剂粘结在不锈钢清洗槽底面上的,换能器将超声波机械能通过槽底传施给槽内液体,然后作用于液体中的被清洗工件,从而实现了超声波清洗的功能。 大功率晶体管是工作在开关饱和工作状态,所以其输出波形为方形。当方波进入谐振电路后,经电感和电容的滤波后,就成为正弦波,所以实际上作用在换能器上的电流波形,已成为正弦波。 超声波清洗机的超声波电源发生器有两种,一种是自激电路,另一种是他激电路。自激电路结构简单、实用、经济性好;他激电路功率大,具有频率跟踪和限流,发热等多种保护,两种电路分别适合不同层次企业和更广泛的客户需要。三、 使用方法1. 将发生器与清洗槽连接电缆接好。2. 将槽内注入选用的清洗液。3. 将发生器接入220V±10% 50赫兹交流电源。4. 打开发生器电源开关,电源指示灯亮(此时槽内液体开始振动空化)。四、 注意事项1. 为了延长使用寿命,建议将设备放在通风、干燥的区域,发生器后侧的风扇孔应定期清洁。发生器四面留有通风口,以使气流畅通无阻。2. (1)清洗槽必须放入液体后才能开机工作,最低水位高度>100mm(底振式)且水平放置,换能器在侧面时,为清洗槽槽沿100mm处,如在空气状态开机会损坏机器。(2)当清洗缸体温度为常温时,切勿将高温液体直接注入缸内,以免导致换能器松动而影响机器正常使用 。(3)当清洗液因污染而需要更换时,切勿将低温液体直接注入高温缸体内,这同样可导致换能器脱落,同时应当关闭加热器开关,以免加热器因槽内无液体而损坏。(4)定期检查换能器,切勿使其变潮及撞击,以免造成不必要的损失。3. 使用完毕后,应关闭总电源。4. 关机后不要立刻重新开机,间隙时间应在1分钟以上。
