摘要本文通过对超声波性质的概述和对其应用的简要概括，说明了超声波对人们生活的重要作用，及其巨大的应用前景，为超声波的进一步发展提供依据。
关键字超声波；清洗；医学；军事；焊接
An Overview of the Ultrasonic Application of Cleaning, Medical, Military and
Welding
Abstract Based on the ultrasonic properties of a brief overview and summary of their application, indicating that the ultrasound on the important role of people's lives, and great prospect for further development based on ultrasound.
Key words Ultrasound; cleaning; medicine; military; welding
引言
声音充斥在生活的每个角落、每个时刻，街上繁杂的汽车声、教室里朗朗的读书声、情侣间的窃窃私语，
即使在安静的夜晚，还有夜风拂过枝头沙沙的摩擦声……这些都是我们能听到的声音，还有很多我们听不到的声音也每天环绕在我们的周围，它们就是超声波和次声波。
声音是指能使人产生听觉的振动的声波，振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动形式, 声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。声音属于机械工程中的振动与冲击学科。它由物体振动产生，以声波的形式传播，传播需要介质。它没有质量，不是物体，但却是实际存在的物质。声音是一种机械纵波, 波是能量的传递形式，它有能量，所以能产生效果。那么严格来讲，人耳不能听到的超声波和次声波其实不能算作声音，但是它们与声音有很多共同点。本文主要概述超声波的形成、特点和应用。 1 超声波简介
1.1 超声波基本性质
科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，单位是赫兹（Hz）。超声波是频率高于20000Hz的声波。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，因而超声波能量很大。同时，因为它方向性好，穿透能力强，能量易于集中，能获得较集中的声能；在各种不同介质中传播，且可传播足够远的距离，尤其在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、杀菌消毒等；与传声介质的相互作用适中，易于携带有
的制备
关传声
媒质状态的信息，诊断或对传声介质产生效应，作为探测与负载信息的载体（如B超等用作诊断）；在医学上, 超声波用作，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的介质的相互作用，去影响、改变以致破坏后者的状态，性质及结构，通常用于医学诊断的超声波频率为1～5mHz；在军事、工业、农业上也有很多的应用。
交流汇流箱虽然人类并不能听到超声波，但是有些动物却有这样的“超能力”。例如蝙蝠就能够听见频率高达120000Hz的超声波，它发出的声波频率也可达到120000Hz。蝙蝠正是利用这种“声呐”判断飞行前方是昆虫，或是障碍物的，这好比是一座活动的“雷达站”。狗能够听见高达50000Hz的超声波，猫能够听见高达60000Hz以上的超声波，但是狗和猫发出的声音，都在几十到几千赫的范围内。海豚使用频率在200-350kHz以上的超声波的喊叫声进行“回声定位”，它靠回声定位来判断目标的远近、方向、位置、形状、甚至物体的性质。而我们在水中听到的海豚叫声，可能是海豚同类间互通消息所使用的部分低频声音。
1.2超声波和可闻声的共同点
正常人能够听见20Hz到20000Hz的声音，超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。超声波和可闻声本质上是一致的，超声波和声音都是振动产生的机械波，都是一种机械振动模式；通常以纵
波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，而且振动越快，频率越高；它们的传播都需要介质，且遇到障碍物后都会向原传播方向的反方向传播；强度大小都由振幅来决定。超声波在介质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可闻声波的规律并没有本质上的区别，但是超声波的频率高，波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。超声波和可闻声波一样，都是声波大家族中的一员。
1.3 超声波的特异性
与可闻声波比较，超声波还具有许多奇异特性：①传播特性。超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中只能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。②功率特性。当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与可闻声波相比，它的功率是非常大的。③空化作用。当超声波在液体中传播时，会在液体内部产生小空洞，这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，并且加速溶质的溶解，加速化学反应。
2 超声学及超声波的各种效应
2.1 超声学
超声学是研究超声的科学，它是声学的一个重要分支。超声学主要研究超声的产生、传播、接收，在介质中的传播规律，超声的各种效应，以及超声在基础研究和国民经济各部门的应用等。随着人们能产生和接收的超声波频率的不断提高，目前已正在逐步接近点阵热振动的频率，利用这些甚高频超声的量子化声能来研究原子间的相互作用、能量传递等问题是十分有意义的。
超声学是一门应用性和边缘性很强的学科，从它一百多年来的发展可以看出，超声学是随着它在国防、工农业生产、医学、基础研究等领域中应用的不断深入而得到发展的。它不断借鉴电子学、材料科学、光学、固体物理等其他学科的内容，而使自己更加丰富。同时，超声学的发展又为这些学科的发展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。如超声探伤和超声成像技术都是借鉴了雷达的原理和技术而发展起来的，而超声的发展又为电子、光电子学、雷达技术的发展提供了超声延迟线、滤波器、卷积器、声光调制器等重要的体波和表面波器件。
但是，超声学仍是一门年轻的学科，其中存在着许多尚待深入研究的问题，对许多超声应用的机理还未彻底了解，况且实践还在不断地向超声学提出各种新的课题，而这些问题的不断提出和解决，都已表明了超声学是在不断向前发展。
2.2超声波在人体中的效应
当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力学的、热学的、电磁学的和化学的超声效应，主要包括包括以下3种：
①机械效应。超声在介质中前进时所产生的效应。超声波在介质中传播由反射而产生的机械效应，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，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；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；可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散；此外，超声波在压电材料和磁致伸缩材料中传播时，由于超声波的机械作用而引起的感生电极化和感生磁化。
②温热效应。人体组织对超声波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时，其能量不断地被组织吸收而变成热量，使组织的自身温度升高，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。
③理化效应。实践证明一些理化效应往往是上述效应的继发效应。A.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。可使关节内水解酶和原酶活性增加。B. 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。同时，超声可影响血流量，使白细胞移动，促进血管生成，胶原合成及成熟，产生致炎症、损伤的修复和愈合作用，从而达到对受损细胞组织进行清理、激活、修复的过程。C. 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。此外，超声波的空化效应可能是超声波增强外源基因转染和表达的主要机制。空化效应一方面使细胞膜表面出现可逆性小孔，细胞膜的通透性明显增高，外源基因因此能较容易地经细胞膜上的小孔进入细胞内，同时又使造影剂破裂在局部高浓度释放出所携带的基因，从而增强外源基因的摄取、转染和表达。
3 超声波的应用
大家都知道，超声波在人们的生活中起到了非常重要的作用。在我国北方干燥的冬季，把超声波通入水罐中，来增加室内空气湿度。利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破
碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。超声波在医学方面应用更加广泛，像现在的彩超、B超等。下面我们分4部分来概述超声波在人们生活中的作用。
3.1超声波防垢清洗技术
中央排水系统潜流湿地超声波防垢清洗技术的应用非常广泛，不论是加工行业，还是日常生活都有很大的用途。比如：日常
使用的首饰、光碟、茶具、眼镜、相机、钟表、印章等的清洗。这些东西设计精细，人工清洗可能造成损坏，或者小的地方不易清洗干净，但是超声波能轻易解决这些问题，同时还能达到杀灭细菌、溶解有机污染物、防止过腐蚀的功效。此外，医院的用具的清洗要求更高，超声波是个很好的选择；管道防除结垢的传统方法成本高，效果差，可应用超声波技术；还可用于清洗表面有氧化皮和黄锈的工件。3.1.1 超声波防垢清洗技术的原理超声波清洗防垢主要是利用超声波强场处理流体，使流体中成垢物质在超声场作用下，物理形态和化学性能发生一系列变化，使之分散、粉碎、松散、松脱而不易附着形成积垢。主要有以下3个方面。
①空化效应。空化作用就是超声波以每秒两万次以上的压缩力和减压力交互性的高频变换方式向液体进行透射。超声波的辐射能对被处理液体介质直接产生大量的空穴和气泡，也就是把液体拉裂而形成无数极微小的局部空穴，当这些空穴和气泡破裂或互相挤压时，产生一定范围的强大的压力峰，这一强大压力峰，能使污垢粉碎悬浮于液体介质中，并使已形成的垢层破碎，使其易于脱落。在减压力作用时，液体中产生真空核泡的现象，在压缩力作用时，真空核泡受压力压碎时产生强大的冲击力，由此剥离被清洗物表面的污垢，从而达到精密洗净目的。随着超声频率的提高，气泡数量增加而爆破冲击力减弱，因此，高频超声特别适用于小颗粒污垢的清洗而不破坏其工件表面。
②活化效应。超声波在液体介质中通过空化作用，可以使水分子裂解为H·自由基和HO·自由基，甚至H+和OH-等。而HO·与成垢物质离子可形成配合物，从而增加水的溶解能力，使其溶垢能力相对提高。
也就是说，超声波能够提高流动液体和成垢物质的活性，增大被水分子包裹着的成垢物质微晶核的释放，破坏垢类生成和在管壁沉积的条件，使污垢在液体中形成分散沉积体，而不形成硬垢。超声波能极大提高过饱和溶液的成核速率，有利于在溶液中形成大量的小沉积颗粒，从而消除溶液的过饱和度，缓解固体表面的成垢压力。
③剪切效应。水分子裂解产生的活性H·自由基的寿命比较长，进入管道后产生还原作用，可使生成的积垢剥落下来，因超声波辐射在积垢和管壁上吸收传播速率不同，产生速度差，导致垢层和管壁的结合力降低，使垢层产生疲劳脱落。
总之，超声波清洗具有既能防止污垢的形成，又能破坏已有积垢的双重作用。超声技术和设备在各个领域的成功应用，提高了产品质量，增大了生产效率。
3.1.2 超声波防垢清洗技术在各个行业中的应用相比其他清洗方式，超声波清洗显示出巨大的优越性。尤其在专业化、集团化的生产企业中，已逐步用超声波清洗取代了传统的浸洗刷洗、压力清洗、蒸汽清洗等工艺方法。超声波清洗的高效率和高清洁度，主要得益于超声空化效应。其速度比传统方法可提高几倍到几十倍，清洁度也能达到高标准。
①超声波清洗技术在磷化处理中的应用。产品喷涂前处理工艺非常重要，一般的传统工艺使用酸液
对工件进行处理，对环境污染较重且结构复杂零件酸洗除锈后的残酸很难冲洗干净。超声波清洗技术应用到涂装前处理后，不仅能使物体表面和缝隙中的污垢迅速剥落，而且涂装件喷涂层牢固不会返锈。超声波除油除锈采用15%磷酸作介质并加入适量除油液，工件表面的氧化物及油污在超声空化场中经2-3min可完全清除干净。较稳定的外层锈层结构主要是铁的三价氧化物。磷酸是中等强度酸，对铁有较
强的结合能力，铁锈中Fe
2O
3
和Fe
3
工装制作
O
4
可被磷酸溶液溶解。由于Fe2+离子在磷酸中的溶解速度比Fe3+离子
快，通过鳞皮缝渗入的磷酸在溶解Fe
2O
3
和Fe
3
O
4
的同时以更快的速度溶解底层的FeO反应，使鳞皮脱离
基体。同时钢铁基体与磷酸在基体表面生成的气体外溢时加速撕裂和剥离较难溶解的外层鳞皮，从而使工件表面除锈迅速而彻底。
②超声波在除油方面的应用。超声波除油是将黏附有油污的制件放在除油液中，并使除油过程处于一定频率的超声波场作用下的过程。引入超声波可以强化除油过程、缩短除油时间、提高除油质量、降
低化学药品的消耗量。尤其对复杂外形零件、小型精密零件、表面有难除污物的零件及绝缘材料制成的零件有显著的除油效果，可以省去费时的手工劳动，防止零件的损伤。最佳超声波除油所用的频率一般为30kHz左右。零件小时，采用高一些的频率；零件大时，采用较低的频率。
③超声波清洗在制药工业的应用。超声波清洗技术经过众多制药企业的应用而得到广泛使用，特别是对西林瓶、口服液瓶、安瓶、大输液瓶的清洗以及对丁基胶塞、天然胶塞的清洗方面，已经得到首肯。对于瓶类的清洗，是用超声波清洗技术代替原有的毛刷机，它经过翻转注水、超声清洗、内外冲洗、空气吹干、翻转等流程而实现的。
④超声波清洗在机电行业中的应用。机电行业中，从机械零件到机械部件，都离不开清洗，大多数企业采用的是传统的清洗方法，诸如浸润清洗、喷淋清洗。这种清洗方法不但劳动强度大，而且易造成环境污染和水资源浪费。目前，不少企业开始进行技术改造，采用超声波清洗以消除传统清洗的弊端，特别是一些形状复杂的机械零件，是传统清洗所无能为力的。
3.2超声波医学应用
3.2.1 超声波在诊断上的应用超声诊断是将超声检测技术应用于人体，通过测量了解生理或组织结构的数据和形态，发现疾病，作出提示的一种诊断方法。超声诊断是一种无创、无痛、方便、直观的有效检查手段，尤其是B超，应用广泛，影响很大，与X射线、CT、磁共振成像并称为4大医学影像技术。
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。目前，医生们应用的超声诊断方法有不同的形式，可分为A型、B型、M型及D型四大类。目前腹部超声成象所用的频率范围在 2∽5MHz之间，常用为3∽3.5MHz。
智能蓝牙遥控器3.2.2 超声波在上的应用超声学是超声医学的重要组成部分。超声波时将超声波能量作用于人体病变部位，以达到疾患和促进机体康复的目的。与超声诊断不一样, 超声是利用“反压电效应”原理，将高频电场作用于晶体薄片，使后者产生相应频率的振动。具体时，可以固定
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