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      超聲波技術及其應用       

           超聲波技術及其應用產品可分為兩類,一類是用較弱的超聲來實現信息的采集與處理,該類技術產品有雷達、聲納、超聲診斷、超聲探傷、超聲檢測等等;另一類是用較強的超聲,即功率超聲,以其能量來改變材料或人體病灶的狀態、性質或性能,該類技術及其應用產品有超聲波清洗、超聲波粉碎、超聲波拋光、超聲波攪拌、超聲波焊接、超聲波治療乃至聲化學等等。功率超聲的核心作用是超聲空化效應的應用。這里對超聲波技術及其產品的應用現狀與發展作一簡要介紹,主要介紹功率超聲及其應用。

        一.空化效應與功率超聲  

      1超聲空化效應Ultrasonic Cavitation

         大家知道,低于20Hz和高于20KHz的聲波都是人耳聽不到的聲波,所謂超聲波是指頻率20KHz以上的波。超聲波具有空化效應,通常是指液體中存在的微小氣泡(空化核)在超聲波作用下被激活所表現出的振蕩、生長、收縮、崩潰等一系列動力學過程。早在100年前,英國第一艘驅逐艦下水試驗時,就發現螺旋漿推進器在水中引起劇烈振動現象,ThornycroBarnaby研究表明,由于螺旋漿在水中的旋轉產生了大量氣泡,這些氣泡又在水的壓力作用下隨即收縮直至破碎而產生的。這是歷史上首次對空化(cavitation)現象物理本質的描述。英國在這之后,幾經改進設計,但終不能擺脫振動問題的困擾,逐正式邀請經典聲學大師Rayleigh勛爵來研究這個問題,1917年,Rayleigh發表了題為《液體中球形空腔崩潰時產生的壓力》這篇著明的研究論文,為其后空化理論的研究奠定了基礎。

         理論與實驗研究已證實,空化過程可以把聲場能量集中(聚焦)起來,伴隨空化泡崩潰瞬間,在液體中的極小空間內將其高度集中的能量釋放出來,形成異乎尋常的高溫(>5000K)、高壓(>5×107pa)、強沖擊波、射流等極端物理條件。

         2功率超聲

        功率超聲是利用超聲能量來改變物質組織結構、狀態、功能或加速這些改變的過程,功率超聲處理技術可以引發或強化機械、物理、化學、生物等過程,提高這些過程的質量和效率,達到其它處理技術難以達到的效果。功率超聲在工業、農業、生物、醫藥衛生、環境保護等國民經濟的各個部門以及國防工業中已得到廣泛的應用,可以用于清洗、粉碎、霧化、乳化、勻化、提取、凝聚;可以用于電鍍、搪錫、浸漬、過濾、加速干燥;可以用于焊接、切割、研磨、拋光;可以用于化學反應、石油開采;可以用于疾病治療、外科手術。此外,近十年來超聲振動切削、超聲疲勞測試、超聲懸浮、超聲馬達等新交叉學科迅速發展,已出現一些工業應用。

        二.超聲波技術的應用

      1.超聲波清洗

      1)   超聲波清洗的機理和特點

         清洗無處不有,可以說人人都接觸到,清洗又是極普通而又平凡的工作,但是,對一些特殊清洗對象就不是一件容易的事。超聲由于它在液體中的空化作用能獲得突出的清洗效果,在一些清洗難度大而質量要求高的工藝場合具有獨特的地位。  


        1是超聲波清洗的原理圖,其機理是,換能器將功率超聲頻源的聲能轉換成機械振動并通過清洗槽壁向槽中的清洗液輻射超聲波,槽內液體中的微氣泡在聲波的作用下振動,當聲壓或聲強達到一定值時,氣泡迅速增長,然后突然閉合,在氣泡閉合的瞬間產生沖擊波使氣泡周圍產生1012~~1013pa的壓力及局部高溫,這種超聲空化所產生的巨大壓力能破壞不溶性污物而使他們分化于溶液中,蒸汽型空化對污垢的直接反復沖擊,一方面破壞污物與清洗件表面的吸附,另一方面能引起污物層的疲勞破壞而被駁離,氣體型氣泡的振動對固體表面進行擦洗,污層一旦有縫可鉆,氣泡立即“鉆入”振動,使污層脫落,由于空化作用,兩種液體在界面迅速分散而乳化,當固體粒子被油污裹著而粘附在清洗件表面時,油被乳化、固體粒子自行脫落,超聲在清洗液中傳播時會產生正負交變的聲壓,形成射流,沖擊清洗件,同時由于非線性效應會產生聲流和微聲流,而超聲空化在固體和液體界面上會產生高速的微射流,所有這些作用,能夠破壞污物,除去或削弱邊界污層,增加攪拌、擴散作用,加速可溶性污物的溶解,強化化學清洗劑的清洗作用。

        由此可見,凡是液體能侵到且聲場存在的地方都有清洗作用,其特點是清洗速度快、質量高,特別適用于表面形狀非常復雜的零部件的清洗。尤其是采用這一技術后,可以減少化學溶劑的用量,從而大大降低環境污染。  

                                    1 超聲波清洗原理圖

        2)超聲波清洗技術的應用

      由于超聲波清洗以其獨特的優勢實現了清洗不但速度快、質量好,而且大大降低了環境污染,因此,超聲波清洗技術正在越來越多的部門中得到應用。

         我國超聲波清洗技術的應用已經取得了較好的成效。一是機械零部件在電鍍前后的清洗或噴涂前的清洗,拆修零部件的清洗,要求高清洗度,如油泵油嘴偶件、軸承、制動器、燃油過濾器、閥門的清洗。二是印制電路板、硅片、晶片、元器件殼、座、鐵路系統用的信號控制繼電器、元器件、連接件、顯像管以及電真空器件等的清洗。三是眼鏡、顯微鏡、望遠鏡、瞄準具等光學系統及取樣玻璃片的清洗。四是醫用器具、食品、制藥、生化等實試中所用各種瓶罐的清洗。五是噴絲頭、精密模具、精密橡膠件、珠寶工藝品等的清洗。

       ·超聲波清洗在輕紡行業中的應用

        輕工行業,如空調、冷柜、冰箱中的壓縮機;鐘表零件、手表元件等;紡織行業,如精密紡織器材、噴絲嘴等;珠寶行業,如金銀首飾、珠寶玉器等,都需要清洗,有些零件、部件和組件,如壓縮機、噴絲嘴等或形狀復雜,或盲孔、微孔,其清洗工藝由超聲波清洗,甚至采用超聲波鏈式或升降式成套設備取代刷洗、浸潤、噴淋等傳統清洗工藝已成必然趨勢。

       ·超聲波清洗在食品、化工行業的應用

         超聲空化可以使多相液體產生乳化、分散和勻化;使固體顆粒粉碎、空化所產生的聲流和微聲流會增加攪拌和擴散作用,以及局部高溫會加速化學反應。所以,除清洗作用外,在輕工、食品、制藥和化學方面還有許多應用。

        超聲乳化、混合。超聲乳化的主要優點是不用或少用表面活性劑,在化妝品、飲料、制藥工業及油水乳化、改善燃燒等方面已取得應用。用于油、煤和水混合做成混合燃料,以及油漆的混合等。

        固體顆粒分碎和分散。超聲空化能破碎懸浮在液體中的固體顆粒,使粉末分散在液體中,如用于石墨染料的粉碎、云母及高嶺土剝片;用于磁盤、磁帶氧化鐵粉的分散;處理陶瓷漿液時能提高成品密度,改善性能;用于破碎動植物細胞,以提取內容物等,特別是對中草藥有效成份的提取優于其它提取工藝。

        超聲霧化。超聲霧化液體可以得到均勻而大小可控的霧滴,隨著超聲頻率的提高,霧滴尺寸變小,超聲霧化粘性液體時比用噴嘴霧化優越。超聲霧化用于加濕是人們熟知的應用,此外,霧化還可用于吸入治療,制造固體粉末以及進行均勻噴涂。

        晶粒細化。超聲對結晶過程的影響有兩個方面:一方面是對過飽和溶液晶體生長的影響;另一方面是在金屬熔液的凝固過程中對晶粒結構的影響。強超聲能加速有機和無機飽和溶液核晶的形成過程,抑制晶體生長而得到更細更均勻的晶粒,其原因是由于空化使晶團、樹枝狀晶破碎和分散,使每一個晶體形成許多新的晶核,這在食品工業、制藥業已有一些應用。

       ·超聲波清洗在軍事裝備領域的應用

        軍事裝備不外乎光、機、電類裝備或光、機、電一體化裝備,軍事裝備在服役過程中普布東西南北、高山叢林、海島邊防,軍事裝備在儲備狀態下,儲存于軍事倉庫,這些裝備在儲備狀態、訓練、演習狀態均免不了塵埃、污垢的吸附、污染,特別是一些復雜的兵器裝備靠人工的方法擦拭保養,難度較大,而一旦采用超聲波清洗技術保養兵器裝備,問題就迎刃而解。例如裝甲運兵車輛中的發動機、變速箱、制動器、化油器等;又如火炮、槍械等;還有各種軍事電子裝備的保養和維修。超聲波清洗技術在軍事裝備領域的各級修理所尤其可以發揮其它清洗方法難以替代的作用。

      3)超聲波清洗技術的發展趨勢

        隨著信息化時代的發展、通信、光學、航空、航天、醫學生物工程等諸多新領域不斷開拓出越來越高精度的材料,如大型硅片、晶片、高檔鏡面、高密度芯片、超細管子、超微晶體管等材料、零部件的清洗,選擇高強超聲波清洗工藝,其效果和效率更好,已有文獻報道:兆赫超聲波清洗是超聲波清洗的新技術。這是因為25—50KHz的低頻超聲波,對于某些表面光潔度高的零件或微細、超薄精密器件的清洗會引起表面損傷。

       目前,國外市場上已有商用的兆赫超聲波清洗設備。美國VerteqImtecProSys公司已開發出這類設備用于半于半導體工業中的生產線上,在對100— 300mm 硅片的清洗中,可除去硅片表面上小到0.15um的微小顆粒。而且可加快漂洗過程并有效地阻止粒子在硅片表面上重新附著。兆赫超聲波清洗是國外許多大規模集成電路制造廠家生產過程中不可缺少的標準設備。

        我國現有各類超聲波清洗設備制造企業近40家,但其分布主要集中在東南沿海地區。據統計資料,沿海地區的廠家占全國總戶數的85%,可見經濟發達地區對超聲波清洗技術的應用不但在先,而且廣泛、普及程度高,同時,這又證明超聲波清洗技術在中西部地區推廣普及的前景十分廣闊。

         2.超聲波焊接

         超聲波焊接已廣泛用于集成電路引線焊接,近年來用于塑料——金屬復合管的焊接很有發展前途。由于工藝上的突出優點,更為廣泛應用的是熱塑性塑料的超聲焊接。焊接設備除傳統的切向和縱向振動外,還發展了扭轉和多系統的復合振動。焊接方式由疊焊發展到端面對接焊,功率容量達50KW

        3.超聲加工

        超聲加工是由超聲鉆孔技術的出現發展起來的。在超聲作用下金屬會發生“軟化現象”,應用超聲可用于金屬成型。目前,超聲加工已發展了旋轉加工、振動切削、拋光、研磨和珩磨等,超聲加工的新技術有:超聲冷撥金屬管、超聲拉絲、拉伸金屬棒、金屬擠壓、金屬鉚鐓、彎管與矯直。超聲技術用于疲勞試驗,比傳統的材料疲勞試驗快幾百倍。

        4.超聲馬達

        20年來,超聲馬達得到了迅速發展,超聲馬達的特點是低速(無需復雜的減速裝置)、大力矩(最大力矩達 200kg /cm)、響應快、沒有電磁干擾,易于微型化,超聲馬達已用于照相機的自動聚焦及微機器人。

        5.超聲化學

        超聲化學是近十年來快速發展的一門新的邊緣交叉學科。超聲在化學中應用,其最為顯著的特點是加速化學反應、提高反應產率、降低反應條件,為化學反應開辟了新的途徑。在合成化學、高聚合物化學和聲電化學等方面都取得了重要進展,尤其是合成化學發展很快,主要是研究多相反應、特別是有機金屬反應。在有機氧化、縮合、取代、偶聯、加氫、環丙烷化和氫硅化反應等方面已得到廣泛應用。

        6.超聲波在生物工程中的應用

         在生物工程中,超聲處理技術可以引發或強化機械、物理、化學、生物等過程,提高這些過程的質量和效率,達到其它處理技術難以達到的效果。超聲處理技術向生物工程領域的滲透是近十年來的發展成就。超聲的生物效應分為低強度超聲的生物效應和高強度超聲的生物效應。

      1) 低功率超聲的生物效應

        低功率超聲可以在不破壞細胞的前提下,提高整個細胞新陳代謝的效率。一個簡單的實例是用低功率超聲激活液體培養基介質,從而增加海藻類細胞的生長速率,據文獻報道,超聲使蛋白質產量提高了3倍。研究結果還表明,超聲對魚卵的孵化有顯著作用:每天用頻率為1MHz的超聲作用魚卵三次,每次35min,可以使泥鰍的孵化時間從72h降至60h,并且超聲能增加魚卵的孵化率及孵出魚苗的成活率。

        在播種前用低功率超聲作用植物種子可以幫助打破休眠,促進植物種子發芽、生長、早熟和增產。這種技術除了能提高萌發率和生長率及縮短成熟期外,還能獲得比化學法更潔凈的種子來用于耕作。從上世紀的五十年代起,各國學者就著手進行超聲作用水稻、麥子、玉米、藥物、水果、蔬菜等農作物種子的研究,并且取得成果。如用20KHz250W的超聲處理“先鋒1號”早稻增產10%;“ 691” 中稻萌發率增高并增產9%;用20KHz250W的超聲作用小麥種子20s,可以使種子萌發率、出苗率提高,并增產9.3—28.7%;用超聲作用玉米種子6s,可以使種子萌發率提高40%。以上所說超聲對種子的作用,一般都是將種子置于超聲水溶中進行。據報導,近年,俄羅斯人研究了在播種前幾個月用頻率為20KHz,振幅為1—40um的超聲連續干燥法處理種子。這種方法比超聲水浴處理得到的濕種子更簡便。該法能使向日葵種子在土壤中萌發率提高3倍,使西紅柿成熟期縮短10天。 

        近年來,俄羅斯人發現用超聲波連續作用于干燥種子,不但比超聲水浴處理得到的濕種子更簡便,而且對種子的包裝、運輸也更為簡便。該法能使向日葵種子在土壤中的萌發率提高3倍;使西紅柿成熟期縮短10天。

      2)   高強度超聲的生物效應

         高強度超聲在作用于細菌懸浮液時,凝膠發生液化或乳化,從而使細菌失去生物活性,原因是由于超聲空化效應引起的巨大壓力和沖擊變化使細菌失活。故而稱為對細胞的“殺死”效應。實驗表明,幾乎所有的細菌體都會被高強度超聲波所破壞,只是各自的敏感程度不同而已。功率越高殺菌效果則越強,如果配以殺菌劑則其殺菌能力就更好,這對醫學上器官移植的殺菌意義重大。不同強度的超聲可以收到提高酶活性或使酶失活的不同結果。

         由此可知,超聲的生物效應隨著超聲頻率、強度、作用時間的不同而不同,有時甚至產生截然相反的作用。對超聲強弱的選擇取決于生物工作研究的目的。

        7.超聲在醫學中的應用

        超聲醫學是近十年來發展形成的一個專門新學科。超聲醫學由超聲診斷與超聲治療兩部分組成。超聲診斷是利用較弱的超聲波的波動特性作用于人體內部組織采集病變信息;超聲治療則是利用較強的(即功率超聲)超聲波的能量特性適量地作用于人體內病變部位,通過某種生物物理作用機制(機械的、熱學的或空化的)對人體組織的狀態功能或結構產生影響而達到既定的醫療目的。

      1)超聲診斷 

        發達國家已將超聲空化引發的聲致發光用于診斷的研究,如Corskii等人把人體血漿聲空化發光作為診斷早期癌癥方法的研究成果預示出潛在的應用前景,Chernov等人研究7500多例患有消化道癌癥、愛滋病及結核病患者血漿的聲空化發光的結果表明,聲空化發光完全可以對癌癥和免疫力差的其它疾病起到輔助診斷作用。

      2)超聲治療

        外科超聲手術刀。通過變輻桿把幾十千赫的超聲波作用到待手術切除的人體組織上,有選擇性地切除組織,可以大大減少術中失血、加快速度、提高手術質量。當超聲手術作用于白內障時,稱為超聲白內障切除;當超聲經切口作用于多余的脂肪組織時,超聲波的機械振動與空化效應可使脂肪細胞破裂,脂肪酸溢出并排出體外,這就是國外號稱的“人體雕塑術”。目前國內外醫學美容界已廣泛采用。

        20年興起的體外沖擊波碎石術被譽為結石癥治療史上的一次革命。所謂沖擊波碎石的機理,是超聲空化造成流速高達 100m /s高射流作出的重要貢獻。

        10年來興起的高強聚集超聲(HIFU)技術在臨床治療癌癥方面已初步取得令人振奮的效果,其突出特點是使超聲束在體外施以聚焦、焦點處的高聲強能量以每平方厘米數千至上萬瓦的能量定位至達體內病灶組織上,可使病灶靶組織在0.5—5s的短時間內升溫到 70 以上,蛋白熱固化使病灶靶組織壞死,而又不損傷周圍的正常組織,其應用前景十分可觀。

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