现代超声波技术和工业应用


    功率超声技术是以物理、机械振动、电子、材料等学科为基础的高新技术之一。它是以超声能量使物体或物性某些状态变化的应用技术。在国民经济建设中它对提高产品质量、降低生产成本、防止环境污染、提高生产效率等具有特殊的潜在能力。目前功率超声广泛应用于机械、电子、电器、冶金、化工、医药、能源、材料、纺织、农业、环保等许多重要领域。40年来我国功率超声经过新老几代人的努力,不仅在基础研究上取得了许多重要成果,学术活动也十分活跃,其新设备在国民经济建设中发挥了重要作用。

超声空化

    由于超声清洗、超声处理、声化学、超声治疗等 需要,超声空化现象的研究一直是超声界讨论的热点。 所谓超声空化,就是指液体中的微小气泡核在超声波作用下产生振动,当声压达到一定值时,气泡将迅速膨胀,然后突然闭合,在气泡闭合时产生冲击波,这种膨胀、闭合、振荡等一系列动力学过程称超声空化。空化瞬时在局部产生)5000K以上热点,同时压强高达上千个大气压。超声空化所引发的物理、机械、热效应、生物效应、化学效应等在工业上具有广阔的应用潜力。因此功率超声的许多应用、设备的开发与超声空化机理分不开。国内外学者在超声空化研究过程中认识到,空化必须在一定条件下才能发生,空化有一个阈值,它与超声波频率、波形、声压大小,介质温度、压力、粘度、含气量等因素有关。然而对空化的本质还需要深入地进行研究。目前对空化强度还不能定量地测量,空化所造成的高温、高压也很难以确切的数字表达出来。空化后介质的力学、声学、热学、光学、电学性质的变化还不十分清楚,尤其在超声治疗中,生物体内是否有空化也尚未定论,这些迫切的基础问题需要我们超声学者作进一步的研究。

功率超声换能器

    功率超声换能器是功率超声产生的基础,我国近20年来在换能器研究上也取得了不少成绩。目前我国功率超声换能器有3种形式。一种是高压流体或气体声源,此类声源可获得较大声功率,例如我国研制的簧片哨、旋涡哨都是利用流体作动力源,利用高速流体产生超声,其结构简单、声功率大,然而效率一般在10%左右,目前在超声除尘、超声乳化、超声粉碎、超声干燥等方面获得了应用。功率超声中应用最广的换能器是压电换能器,尤其夹心式纵向压电换能器,20年来取得较大的进展,例如,大功率压电晶片的研制水平与国外水平相当,纵向压电换能器设计许多单位都有了自己的软件,有限元分析法、等效弹性分析法在设计中广泛应用。除了常用的单一纵振换能器外,我国还成功地研制了由几个换能器共同驱动一个变幅杆的功率合成换能器,和用R-L型振动方向变换器进行的功率合成换能器系统。目前已能研制出5~10KW甚至更大的功率合成换能器,在超声焊接、超声处理,拉拔钢管应用中,取得了良好的效果。除了纵振换能器外,国内还研制了不同用途的弯曲振动换能器、扭转振动换能器,模式转换型换能器、模式旋转型换能器、多共振频率换能器,近年来为超声治疗的需要研制了聚焦超声换能器。这些换能器研制成功为大功率声源产生创造了条件。传统的磁致伸缩换能器,由于效率低,价格贵目前已很少使用。近几年国内稀土超磁致伸缩材料研究不断取得进展,它的饱和磁致伸缩系数是传统磁致伸缩材料,Ni的40倍,比压电材料的饱和应变大5~10倍,耦合系数达94%,其能量密度比压电材料大15~30倍。在国内已在水声试验中研制了样机,声源级达195db以上。在国外,根据美国工业协会28届年会报导Etrema products公司用已制成25KW超声源在声化学和废水处理中应用。国内研制的样品目前价格还较贵,制成的材料棒状较多,薄片很少,因此适用于超声的超磁致换能器还有待于材料的进展。

超声发生器研究

    我国从80年代中期开始各功率超声研制单位基本上停止生产电子管或可控硅管超声波发生器,继而用大功率高频开关晶体管替代了电子管。放大器形式大多以自激D类半桥或全桥为主,他激式的大功率模块放大器也不断出现。许多电路中都设有频率自动跟踪、过压、过流、相位差保护电路,部分还设有匹配指示电路。近来还研制出频率、功率、保护电平等参数能自动调整的微机控制的超声波发生器,使功率超声设备向着自动化道路又前进了一大步。目前我国功率超声发生器已研制出频率从十几KHz到几个MHz,功率从几十瓦到几十千瓦,应用在各类超声波设备上。

功率超声技术应用进展

超声清洗:
超声清洗与其它清洗相比,超声清洗具有效率高、质量好,可清洗复杂零件、深孔、盲孔及狭缝中的污物,且易于实现清洗自动化。随着我国国民经济
进一步发展,它必定成为许多工业、医疗、环保等部门不可缺少的一种工艺手段,它是功率超声最主要的应用之一,我国超声清洗近10年来发展较快,不
单是研制单位多,有的一个城市有十多个单位在研制超声清洗设备,而且超声清洗市场很大。目前的超声清洗已从单缸清洗发展到多缸连续自动清洗,
超声加气相和液相清洗。超声清洗电功率已从几百瓦发展到几十KW频率从15KHz低频提高到1MHz以上高频,高频喷射清洗与低频清洗原理不同,它是靠高频压力波的推动下,使污物粒子冲离其底表面,它广泛应用在硅晶片、集成电路芯片等超微污物分子清洗。近10年来随着超声振板的标准化,应用越来越灵活,螺栓焊机的应用解决了胶接的换能器从缸底脱落的现象,大大提高了清洗器的使用寿命。近来多频清洗、扫频清洗使声场均匀化,进一步提高了清洗效果。目前各种新型清洗溶剂推出,进一步推动了超声清洗的应用。
超声焊接:
随着塑料工业的发展,超声塑料焊接机近10年来在我国发展迅速,我国已有几十家研制超声塑焊机的单位,大部分集中在江浙沪及广东一带,部分单位是独资或合资企业。目前部分单位已研制新一代微机控制的超声塑料焊机,各种焊接参数能自动设定,大大地提高了焊接质量。随着功率合成技术的发展,目前5~10KW的大功率超声塑料焊机也已研制成功。并被应用于大尺寸塑料件的焊接中。超声金属焊接是两被焊件在压力P和换能器工具头切向力Tx的高频磨擦下产生温度和塑性流动,它是通过被焊区域内金属原子的互相扩散或互相接近状态下的固相结合。我国的超声金属焊接过去仅在电容器或硅半导体的连线的焊接,功率小、使用面窄,近几年我国大功率超声金属焊接机研制成功,已在汽车的多导线连接、大功率整流管引出线连接、蓄电池电极的焊接、铝塑复合管中铝管的缝焊中得到了应用。目前国产的金属焊机在功能和质量上与进口机相当。但价格只有进口机的1/6,在市场上有一定的竞争能力。
超声处理:
超声处理主要利用超声空化作用原理,包括超声粉碎、超声萃取、超声乳化、超声凝聚等。我国的超声粉碎技术过去仅在细胞粉碎等医疗部门应用,功率只有几十瓦,目前1~2KW甚至更大的功率超声粉碎机广泛应用于我国医药工业上,能制备粒径1μ的乳剂、混悬剂,或杀死病毒制成疫苗。超声粉碎还能粉碎重油,使重油改质,即把劣质重油中许多难以燃烧的淤渣粉碎细化且达到均质程度,其粒径可达2μ以下,这对节约能源、降低成本、减少污染具有重要意义。超声粉碎在花粉破壁上也得到了应用,使人对花粉的吸收率大大提高。超声萃取(或称提取),其原理是利用功率超声有破坏植物组织,加速溶剂穿透组织作用来提取物料中的有效成分。目前国内已在中草药成分提取,甜菜中蔗糖的提取,脱脂大豆中蛋白质提取及茶叶中固形物等提取发挥了作用。  
超声在环保中的应用:
用超声波进行废水处理的研究是国内外近来十分热门的课题,例如用频率30KHz,100W电功率的超声辐射含五氯苯酚盐的水溶液50min处理实验,五氯苯酚盐明显被分解,表明超声除污有可能成为一种新的无二次污染的污水处理方法。国内还在印染工业中,用超声降解酸性红B废水,超声的作用明显提高了污水的降解率,在纺织工业中用超声波振荡气浮处理退浆废水的新工艺已取得了进展。
超声化学:
超声化学主要利用超声控制化学反应,提高反应产量降低反应条件以及引发新的化学反应等。它的主要原理还是利用超声空化所造成的局部超高温、超高压,引发出许多化学、生物、力学及热效应,从而为常规化学反应提供了反应动力,它是一门新兴的声学与化学边缘交叉学科。许多学者经过大量实验发现超声波在合成化学、聚合化学、催化化学及电化学中都有明显效果。影响超声化学反应的参数很多。主要包括工作频率、超声强度、声功率、超声辐射时间、超声波形、反应介质温度、大气压强等。但这类反应器,探头表面由于受到空化的侵蚀可能污染反应物。目前在电镀中使用超声波,实际上是超声在电化学中应用的一个例子,声化学目前大多在实验室阶段,因此大规模的超声化学要在工业中应用还需功率超声界和化学界共同努力。
功率超声在超细粉末和纳米材料中的应用:
直径为1nm~100nm的材料,同时具有纳米性质的材料被称为纳米材料。由于纳米材料尺寸小,因此它具有特定的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应,这些效应将造成表面能和表面结合,能增加声、光、电、磁、热及一些化学特性发生变化,造成高的光学非线性、超导电性和光催化特性。纳米材料出现了许多奇异的物理、化学性质。然而要获取纳米材料目前还有相当大的技术难关需攻克,靠机械的方法很难实现,目前大多以化学的方法获取,然而效率较低。用超声方法粉碎也只能到μm量级材料。如果把超声和化学两方法结合起来,超声能增强液-固系统中有效扩散系数,增加传质系数、诱导过饱和、增加空化能量和各种反应的因素。目前国内用超声电解法已成功制取粒径100nm以下的铜粉和镍粉,国外的例子更多。因此用超声和化学结合的方法是制备纳米新材料的一种有用技术,声空化所引发的特殊的物理、化学环境已为科学家们制备纳米材料提供了新途径。粒径100nm以上到μm的材料为超细粉末,超细粉末目前大多通过机械方法获得,例如球磨、高速气流粉碎。然而人们发现物料的粒度达到一定细度时,如果继续磨下去,粒径不但不会细,反而越磨越粗,这种现象称逆研磨。因为这时的机械力不足以抗衡物料更高的断裂强度,只能维持平衡并促进小颗粒团聚。如果在研磨中引入超声进行分散,利用超声的空化作用来分散团聚颗粒,以适当的超声频率、功率和作用时间加以处理,其粒径可减小几倍。超声分散对微细颗粒悬浮体分散效果尤其明显。
超声在治疗中的新应用:
以往的超声治疗主要利用超声的热效应与机械效应,对人体病变部位进行治疗,例如超声疗法、超声手术刀等。90年代开始,国际上兴起了用于治疗肿瘤的高强度超声外科手术,其主要特点是对低MHz级的超声束使之聚焦,使焦点处的高强度超声能量定位到体内肿瘤组织上,高强度超声辐射,即可使肿瘤组织迅速升温,通过超声的热机制作用,使癌细胞蛋白质热固化、坏死而又不损伤周围正常组织,这种方法大大软化了过去对测温和控温的要求,所以称为无创伤外科,这是传统治癌超声温热疗法的革命,又是传统超声外科(超声手术刀)的新拓展。我国一些医疗机构、学校、研究所较早地开展了这方面基础、工程研究及临床应用,现已取得了令人瞩目的成就且在世界上处于比较领先的地位。
超声马达:
近10年来超声马达也是功率超声发展的一个重要例子。超声马达主要特点是转速低、转矩大、体积小、重量轻、定位精度高、无电磁干扰,在国外,尤
其日本在80年代发展迅速,它在机器人、计算机、仪器仪表、照相机等领域应用有着广阔的前景,预计日本在本世纪初超声马达将可能取代10%的电磁马达。我国在超声马达的研究工作起步也不慢,在研究振动模式理论,新结构、新驱动方式上都取得了进展,但目前仍限于实验室研究阶段,如何使超声马达走出实验室,向着大力矩、微型化方向发展,加快推进工业化应用进程,是研究者需要攻克的课题。

功率超声技术是属高科技领域,它的研究领域涉及到振动与声、电子与机械、材料等多方面技术,随着我国国民经济进一步发展,工业化水平进一步提高,预计功率超声的应用前景会越来越广阔。

查考文献:

超声波技术应用现状.pdf