生活中常見的超聲波應(yīng)用及其物理原理分析

楊超

摘 要：物理學(xué)是一門與人們?nèi)粘Ｉ钌a(chǎn)都密切相關(guān)的學(xué)科，它包含多種重要科學(xué)原理，如力學(xué)、光學(xué)、動(dòng)力學(xué)、電學(xué)及聲學(xué)等。物理學(xué)是研究物質(zhì)世界最基本的結(jié)構(gòu)、最一般的運(yùn)動(dòng)定律及所使用的實(shí)驗(yàn)手段和思維方法的自然科學(xué)。本文著重于超聲學(xué)在人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾獞?yīng)用及原理做相關(guān)分析論述。

關(guān)鍵詞：超聲波；應(yīng)用；物理原理

一、超聲波的產(chǎn)生

聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)或能量的傳播形式，而超聲波是指振動(dòng)頻率大于20 000Hz以上的，其每秒的振動(dòng)次數(shù)已經(jīng)超出人耳聽覺上限，是一種被人們聽不見的聲波。與人耳可以聽到的聲波有所不同：超聲波波長(zhǎng)很短，衍射本領(lǐng)較差，在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播，而且超聲波的波長(zhǎng)越短，該特性就越顯著。

二、超聲的研究與發(fā)展

早在1883年就已經(jīng)有超聲氣哨的出現(xiàn)，但限于當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)水平，并沒有挖掘出超聲的巨大潛能和應(yīng)用價(jià)值。到1917年，法國(guó)物理學(xué)家郎之萬用天然壓電石英制造成夾心式超聲換能器，這也是首次成功地把超聲設(shè)備應(yīng)用于軍事中。之后隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們能產(chǎn)生和接收的超聲波頻率也在不斷提高，目前一正在逐步接近點(diǎn)陣熱振動(dòng)的頻率。由于超聲波的應(yīng)用范圍越來越廣泛，對(duì)于他的研究也隨之越來越深入，各個(gè)國(guó)家對(duì)于超聲波的應(yīng)用實(shí)踐也更加重視。

三、超聲波在實(shí)際生活生產(chǎn)中的應(yīng)用及原理

（一）在醫(yī)療體系的應(yīng)用

提及超聲波，在日常生活的醫(yī)療體系的應(yīng)用是最為廣泛的，其中最為人們熟知，也是最常用應(yīng)用便是B超。B超是超聲的主要檢查方法，包括后來的內(nèi)鏡超聲、三維成像等也都是在B型超聲的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。B超主要是應(yīng)用了超聲的成像技術(shù)，它通過同步信號(hào)同時(shí)發(fā)射和掃描電路，發(fā)射的電信號(hào)通過換能器換成超聲波并入射到人體內(nèi)，之后就同聲音一樣，它在人的身體內(nèi)向一定的方向傳播，而且可以穿透物體，當(dāng)遇到阻礙時(shí)就會(huì)發(fā)出回聲，遇到的阻礙不同，發(fā)出的回聲也不同，然后人們把回聲收集起來并顯示在操作屏幕上。由于人體各臟器組織有特定的差異，超聲波在不同的介質(zhì)反射、折射、衰弱、聲源與接收器相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生多普勒等物理特性，然后應(yīng)用超聲檢測(cè)儀，接受這些信號(hào)，再結(jié)合臨床經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)不同的反射規(guī)律，從而對(duì)病人的病情做出合理診斷。

（二）在生活中的應(yīng)用

超聲清洗消毒，主要用于真空食品密封后，或者是在電子、光學(xué)醫(yī)藥等一些對(duì)工作環(huán)境要求較高或者制作物品要求的標(biāo)準(zhǔn)比較嚴(yán)格。比如，制藥行業(yè)所使用的玻璃器具，在封口不適合高溫加熱的情況下，最好的辦法就是選擇超聲，不僅能達(dá)到清洗的目的，還可以對(duì)容器的內(nèi)外壁及瓶口殘余的微生物進(jìn)行打碎，從而達(dá)到清洗消毒的目的。這主要是通過換能器，將功率較高的聲能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，通過中間媒體介質(zhì)，將超聲波輻射到需要清洗或者消毒的部位，由于受到超聲波的輻射，其能夠使物體保持振動(dòng)，并逐漸被分離。當(dāng)聲波強(qiáng)度較高時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生縱波，之后就會(huì)產(chǎn)生一各壓縮和膨脹交替的區(qū)域，由于不斷地進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，可以使周圍達(dá)到一個(gè)極高的溫度，最后達(dá)到消毒殺菌的目的。綜合分析，超聲波的清洗消毒原理，就是利用換能器將傳播到媒體介質(zhì)上的聲能轉(zhuǎn)化為所需要的急切能。

（三）在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

1.超聲焊接

超聲焊接包括金屬的焊接及塑料的焊接，超聲焊接具有焊接時(shí)間短、焊接電阻低、焊接表面干凈、焊接更安全等特點(diǎn)。金屬的超聲焊接和塑料超聲焊接的工作原理大體相同，都是通過換能器使超聲波輻射的聲能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為熱能。只不過金屬的焊接是通過轉(zhuǎn)化后的熱能，將相結(jié)合出的金屬分子活躍性增強(qiáng)，分子間是存在間隙的，通過分子間的相互運(yùn)動(dòng)及同性相斥異性相吸的物理原理，最終達(dá)到需要焊接處的結(jié)合。塑料的超聲焊接則是直接通過轉(zhuǎn)化的機(jī)械能在通過摩擦的方式產(chǎn)生熱能，通過將塑料融化對(duì)接再自然冷卻達(dá)到焊接目的。

2.用超聲波處理廢水污泥

傳統(tǒng)的廢水在處理過后仍然會(huì)留下大量含水量高的污泥，而這些污泥必須在經(jīng)過濃縮或者脫水后再可以被再次利用。但近幾年新加坡某大學(xué)經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，通過超聲波處理廢水污泥，不僅成本低、效率高，而且還能在處理過程中產(chǎn)生有用的生物氣體，環(huán)保性更強(qiáng)，副作用更低。其工作原理就是電流通過換能器，將電能轉(zhuǎn)化成高強(qiáng)度的聲能，也就是我們說的超聲波，在超聲波攝入到廢水污泥當(dāng)中時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生許多微笑氣泡，在氣泡炸開后損壞細(xì)菌的外置細(xì)胞壁，然后通過厭氧消化把這些細(xì)菌處理掉，與此同時(shí)還可以產(chǎn)生更多的生物氣體。通過有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，利用超聲波處理廢水污泥過程中產(chǎn)生的這些生物氣體便是甲烷，將這些甲烷收集起來就可以直接燃燒發(fā)電，環(huán)保又實(shí)效。

（四）在軍事中的應(yīng)用

早期的潛艇主要靠與潛望鏡進(jìn)行觀察，但有很大的局限性，其只能觀察到水面以上的物體，對(duì)于水下則好像盲人一般，所以早起的潛艇任務(wù)的事故率非常高，往往因?yàn)榭床坏剿碌聂~雷或者暗礁致使?jié)撏ё陨硎艿綐O大傷害。而現(xiàn)代采用的超聲探測(cè)技術(shù)，就是利用回聲探測(cè)來確定物體的危險(xiǎn)級(jí)別。以水雷為例，由于水雷反射聲波能力很弱，使探測(cè)水雷的任務(wù)更加困難艱巨，然而，在潛艇任務(wù)中不僅要能分辨出這些小目標(biāo)，還要求精準(zhǔn)探測(cè)出他們所在的位置，目前的超聲技術(shù)，已經(jīng)探測(cè)沉底雷大約400米左右的距離。除此之外，超聲還可以探測(cè)海洋里的沉船和暗礁，執(zhí)行海底警戒的任務(wù)。

（五）超聲波的拓展應(yīng)用

超聲波經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，在其基礎(chǔ)上又延伸了兩個(gè)新的概念——“次聲波”和“聲納”。以下主要介紹下聲納在無損探傷的應(yīng)用。無損探傷是在不損壞工件或原材料工作狀態(tài)的前提下，對(duì)被檢測(cè)不見的表面和內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢查的一種測(cè)試手段。超聲的無損探傷就是利用超聲波在不同介質(zhì)進(jìn)行反射，通過比對(duì)反射回來的能量來分析確定被檢測(cè)工件的損傷程度。這種探傷方式較傳統(tǒng)的驗(yàn)傷方式效率更高，探測(cè)出損傷的部位更精確，操作更安全，使用更加方便。

四、結(jié)語

科學(xué)分為多種，有生物科學(xué)、化學(xué)科學(xué)、人文地理科學(xué)等，而物理科學(xué)只是眾多里面的一個(gè)分支。如果把科學(xué)比作整個(gè)銀河系，那么物理科學(xué)就是太陽(yáng)系，而超聲學(xué)也只是太陽(yáng)系里一顆耀眼的恒星。當(dāng)今時(shí)代，科學(xué)是永遠(yuǎn)不會(huì)過時(shí)的熱點(diǎn)話題，對(duì)于科學(xué)的探索需要一代又一代人的不斷努力。以超聲波為例，它的出現(xiàn)給人們生活帶來了眾多便利，極大滿足了人們對(duì)物質(zhì)文化、精神文化的需求。此外，超聲波對(duì)促進(jìn)各國(guó)經(jīng)濟(jì)有效發(fā)展、鞏固各國(guó)的國(guó)防水平都起到了不可替代的作用。但對(duì)于超聲學(xué)的現(xiàn)有研究水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們對(duì)其潛在價(jià)值的深層探索，尤其是由其衍生出的各類復(fù)雜科學(xué)，已經(jīng)激起各國(guó)科學(xué)家的研究興趣。

參考文獻(xiàn)：

[1]李鶴群，祝小鯨.簡(jiǎn)析超聲波流量計(jì)測(cè)量天然氣的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].儀器儀表用戶，2017（12）.

[2]彭海.便攜式超聲波流量計(jì)DCT7088在水冷器流量測(cè)量中的應(yīng)用[J].科技展望，2017（28）.

[3]羅濤，康勇.USFM2100G型超聲波流量計(jì)[J].西部皮革，2017（4）.

[4]王志平.利用便攜式超聲波流量計(jì)提高大口徑流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度的方法[J].中國(guó)計(jì)量，2017（8）.

[5]朱麗，王小輝.基于FLUENT的超聲波流量計(jì)流場(chǎng)應(yīng)用研究[J].中國(guó)科技信息，2017（17）.endprint