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第6章 神奇的超声技术(2)

超声波在声阻大的地方衰减剧烈,而将其超声能量变成热能。利用超声这种热效应,可使照射的骨折部位的骨膜温度升高,加快骨伤愈合速度,还可用来治疗关节炎,起到活血的作用。近年,又出现了超声治疗癌症的新技术。

另外,超声在治疗过程中还有独特的作用:一是可以将药物溶液雾化,做到雾化吸人,直接作用到病痛局部;二是用超声使药物透人体内;三是超声针灸。

(四)超声对产品的质量检测

超声波探伤

产品质量的无损检测技术应用非常广泛,在各工业部门用得最多的五种常规无损检测方法是:超声、涡流、射线、磁粉和渗透。其中超声波检测又是一种最常用的方法。

超声波探伤是无损检测最广泛的应用之一,因为它具有灵敏度高、穿透力强(可以穿透无线电波、光波无法穿透的物体)、检测速度快、成本低、设备简单轻便和对人体无害等一系列优点,成功地应用于各个领域,形成颇有特色的产业。

超声波探伤是利用超声探头向被检测物体中发射超声,然后根据收到的超声回波或穿透波来判断物体中是否有缺陷(如裂纹、气泡、夹渣等)或其他不稳定因素。

超声波频率在很大程度上决定了超声探伤的检测能力,必须选择适当。因为频率高时,波长短,声束窄、发散角小、能量集中,因此发现小缺陷的能力强。但检查的空间小,穿透力差。频率低时,波长长、声束宽、发散角大、能量不集中,因此发现缺陷的能力差,但探测的角度大,穿透能力较强。一般来说,对于晶粒微小的材料,常采用2.5~5MHz的频率,能发现的最小缺陷一般在半个波长左右。晶粒大的材料对超声波散射较强烈,一般选用0.5~1MHz的频率,能发现的最小缺陷为1mm左右。对于铸铁和非金属等声衰减强烈的材料,采用几十千赫的频率。现在使用的超高频超声扫描,已可检测小到20mm的缺陷。

目前,结合微型计算机技术制造的各种智能化的超声波探伤仪已经问世,大大提高了仪器的稳定性。超声波对产品质量的检测,具有很高的经济、社会效应和军事效应。它与射线探伤、磁粉探伤一起成为无损探伤的三种主要方法。航空工业、核电工业、铁道工业及压力容器工业等领域中,超声波检测必不可少,如用超声波检测飞机主起落架轮毂、梭测焊缝、检测雷达罩故障、车轴中的裂纹等。

超声测量厚度

超声测量技术主要应用于测量管道、容器壁、飞机机体等构件的腐蚀程度。超声波测厚一般有共振法,干涉法和脉冲回波法,用得较多的是同波法,其原理如图16所示。

设超声波在材料中往返传播时间为t,由图16可知d=ut2,如果声速u已知,那么测出t,就可以求得材料厚度d。若采用非常窄的声脉冲,所测厚度可以小于0.6mm。

测厚仪在实际使用时是将发射电路发出的宽度很窄的周期性电脉冲,通过电缆加到探头上进行激励,产生脉冲超声波。探头发出的超声波进入工件,在上下两界面形成多次反射。超声探头接收到反射波后,再变成电信号,经放大器放大,由计算电路测出声波在两界面间的传播时间t,最后换算成厚度显示出来。这种测厚仪可用于表头或数码管直接显示厚度,使用极为方便。

用同样的原理可以测量其他的距离,包括空气中的距离,如盲人可以靠超声来导行,机器人也可靠超声来探查附近的障碍物并准确地定位。

有时需要知道容器内的液面高度、井深、河水和海水的深度等,脉冲回波或超声液位仪可以很容易地实现这一点,其工作原理是以超声换能器发出超声脉冲信号,在被检测液体介质或其他借以测量的传声介质中传播到液面,经液面反射后,超声波脉冲信号被接收换能器接收后转换为电信号。测出从发射到接收的时间间隔,便可计算出探头到液面的距离,从而确定出液位。

超声对应力的测试

超声波对应力测试的原理是:如果金属或其他材料中存在应力,则当超声波在其中传播时,其速度将会有很小的变化,精确测量出应力引起的变化,即可检测应力情况。这种技术在航空航天领域应用较多。如卫星、飞机上的连接螺栓的应力有很高要求。若紧固应力不足,螺栓在使用过程中易松动,从而导致螺栓承受力下降并极易被损坏。如果紧固应力过大,又会导致疲劳损坏,故对这种应力要求高的场合,一般用超声波对这些部件的应力情况进行检测或监测。

(五)超声波流量计

超声波流量计是一种利用超声脉冲来测量液体流量速度的仪表,广泛应用于工业管道中工作物质的流速测量。其种类很多,常用的有多普勒式超声波流量计和时差式超声波流量计。多普勒式超声波流量计是利用超声的多普勒效应,测量原理类似于前面所讲的血管中血流速度的测量。

管道中流体流速和多普勒频移成正比,通过测量频移就可得到流体流速,进而求得流体流量,等于流速乘以管的内径。时差式超声波流量计是利用超声波在流体中顺流传播和逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理来测量流体流量的。

近年来,随着计量技术的发展,新型气体超声流量计也相应问世。因为这种气体超声流量计比目前使用的孔板流量计有着更多的优点,如有较低的系统基本投入、双向测量、大量程比、无压损、无可动部件和高精度等,现在已经用于我国西部天然气开发的西气东输工程项目中。

(六)不断扩大的超声世界

超声新技术不仅在超声成像、超声检测等方面有了长足的发展,通过实践,人们认识到了更多的超声作用。

近年来,在众多领域有了突破性进展,更进一步扩大充实了我们身边的超声世界。下面简单介绍几例目前研究的热点。

声空化技术

1.声空化效应

大群气泡会出现在船舶的尾流中,也会出现在船舶的螺旋桨和水轮机上,这些气泡常称空腔,出现空腔的现象称为空化。船速愈高,空化现象愈严重,空化气泡对螺旋桨有很大侵蚀作用。通过研究发现空化是由进入液体的超声所激发的,不是由液体的高速流动引起的,因此称为声空化。

存在于液体中的气泡(空化核)在超声场的作用下振动,当声压达到一定值时,随着声波所在介质的膨胀和压缩,气泡将会相应地迅速膨胀和收缩,收缩到极小的时候,然后突然会破裂闭合,在气泡闭合时会产生高压强的冲击波。这种膨胀、闭合、振荡等一系列动力学过程称为声空化效应。

人们通过大量的实验,认识到许多超声作用是由高能量引起的,而且大部分是在液体出现声空化现象时才发挥作用,而如果超声不够强,液体声空化就不明显。

2.单泡声致发光

人们对声空化现象的观察最初注意的是它的闪光现象,这个现象称为声致发光。20世纪90年代以前,所有的声致发光现象都是指多泡声致发光,对其形成机理一直在探索中,科学家一般认为,这种闪光是气泡内部气体物质的化学反应所致。

1990年,美国密西西比大学的博士生D.F.Gaitan和他的导师、华盛顿大学的L.A.crum等人首次实现和研究了单泡声致发光。他们将一水槽中的微小气泡用超声场约束在中心,并周期性压缩,观察到气泡发出同步性很好的光脉冲。单泡声致发光有准确的时空定位,便于测量和研究。单一气泡的产生,极大地促进了声空化的研究。现在对单一气泡的大量研究表明,单泡声致发光有非常独特的性质,即高温、高压、高能量。

2002年3月8日《科学》杂志曾报道说,美、俄科学家通过让一个大烧杯所盛液体中微小气泡产生的爆炸,在实验室获得了相当于核聚变的效果。这一“气泡核聚变”(又称声波核聚变)研究成果公布后,立刻引发了科学界的广泛注意。

至于小气泡内的温度、压强、能量到底是多少,目前还是一个谜,有人通过物理模型理论计算出气泡内的压强可能超过几万个大气压,温度可能高达几百万摄氏度,这么高的温度不禁令人联想到太阳表面的温度,联想到了核聚变所需要的温度,其能量的惊人汇聚力使人们希望能用这样简单的设备产生盼望已久的受控热核聚变,这些仅仅是设想,声空化尚待人们去揭秘。

3.超声乳化

所谓超声乳化是把两种互不相溶的液体混合在一起,成为一种乳浊液。超声乳化主要是靠多气泡形成声空化的力学效应或机械作用作为动力,使极性液与非极性液体均匀混合。油和水是常见的原先明显分离的两种液体,超声能很容易地把它们乳化成为均匀的白色乳液。

如图17所示,其乳化作用机理是:当气泡膨胀时,油水界面受到泡壁的挤压部分向水相凸人,但界面没有被破坏,不形成乳化。当气泡随后收缩时,凸入水相的部分界面逐渐恢复平整。当气泡继续收缩,这部分界面不再变形,直到气泡完全闭合的时刻,有部分油迅速挤进水里,接着这部分油柱断裂,构成一个油团落在水内,形成油/水(水包油)型乳化。超声乳化在食品工业、轻工业、化学工业等方面都有实际用途。

4.超声清洗

超声清洗是将超声振动加到清洗液中,使液体产生空化。液体中发生空化时,局部压力非常高,局部温度也很高。通过这些物理过程,加上对洗液中化学洗擦剂的充分搅拌作用,使物体表面的杂质、污垢和油垢等清洗干净,其洁净程度无与伦比,尤其是一些人工不易清洗的小孔和缝隙中的污垢,超声波一到即刻除掉。

超声情况在工业上有着重要的独特地位。目前广泛应用于清洗电子器件、航空部件、仪表零件等。在日常生活中,也可用超声清洗机清洗黄金首饰、珠宝等。

5.超声雾化和超声加湿

超声雾化多年来用于医学治疗,在液体中加入药物使之雾化,让病人吸进,用来治疗呼吸系统疾病。超声加湿器深受冬季空气干燥地区的欢迎,已走入千家万户。

两者基本原理相同。在液体(如水、药液)中放置一个平面超声换能器,让它的超声辐射面朝上,开动电发生器,使换能器向上发射强超声。在液体表面会形成一个喷泉,加大超声强度,喷泉的喷注内会出现光区,同时喷泉剧烈喷物。

一般认为超声足够强时,喷注内才会形成一个空化区,空化所产生的冲击波作用到喷注表面的表面张力波,产生更多的悬浮液体雾粒,所以并不是所有喷雾现象都有声空化参与,液体平层的雾粒,只是由表面张力波的波峰产生的,这些雾粒的性质也不同于喷泉所产生的。

6.其他应用

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