高得听不见的声音——超声有什么用？

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　　一般把20000赫以上的声音称为超声。频率越高，波长越短。声波在大多数固体中的声速为1000-10000米/秒。频率高到108-1012赫是电磁波谱的微波频段。利用超声在固体中的传播特性，以及大功率超声所产生的空化、辐射压等现象，可以使超声产生很多神气的作用，如超声切削、超声研磨、超声打孔等。

　　1、非破坏性检测
　　固体件，如金属工件，由于材料或制造工艺上的原因，内部会形成一些裂缝或气孔，它的强度就不够，或者会发生渗漏，使用时就会出危险。在不能破坏工件的情况下，如何检测这些缺陷呢?近几十年来发明了许多非破坏性的检测方法，如用X光、射线、电磁方法、超声方法等等，各有适用范围，有时需要几种方法并用。

　　在工件表面发出超声脉冲，如果经过的地方有空洞或缺陷，就会有反射信号，通过与工件底部的反射信号的比对，可以知道伤的深度。通过移动超声探头，可以知道伤的水平范围。这种方法叫做反射法探伤，是出现最早，应用最多的。在工件一端发射声信号，在另一端接收信号并显示强度的方法叫做透射法探伤。

　　如果工件是由两部分(或多部分)粘结起来的，检测这种工件最好就是从一个表面测量它的声阻抗。就是在同一个探头上，一个压电晶体发射连续声波，另一个压电晶体接收声波，如果结构上有粘结不好的地方，结构反作用力就会有大的变化，从而对工件做出判断。

　　高级的高速公路、机场跑道和铁路都是面积很大、长度很长而且要求很高的，这些设施不但在建造时要加以监测，在使用过程中也要不断监测，才能保障交通安全。所以一般都在火车或汽车上放几个探头，采取行进中监测的方法。对于高速公路还有一种超声仪器测量路面的平整程度。

　　2、超声测硬度
　　把一个纵向振动的超声换能器的尖端，用力压在被测物体表面，产生压痕。被测物体会对换能器的振动产生影响，换能器的共振频率会发生变化。被测物体硬度越小，压痕越深，对共振频率的影响越大。这样，通过换能器频率的变化情况，就可以知道被测物体表面的硬度。

　　3、厚度测量
　　当超声加在一块板上时，在一定频率下，板会发生共振，达到幅度极大。这时如果知道板材的声速，就可以测得板的厚度。反之，知道板的厚度就可以算出声速。测试结果精度可达到0.1%-1%。这种方法称为共振法。

　　脉冲回波法更适宜于测厚，是目前工业应用中最广泛的一种。利用脉冲在板件两个面间往返的时间，利用已知声速值来测量板的厚度。用这种方法可测从十分之几毫米到几十毫米厚的钢板。

　　4、液位和料位测量
　　一个大容器中液位或料位可以用超声的方法测量，其方法基本是脉冲往返时间的测量。不过在液位和料位测量中声脉冲传播距离比较远，在空气中或被测液体中声吸收都比较大，所以用的是频率比较低的超声。

　　5、超声温度计
　　有些介质温度太高，如汽轮机进气、火箭排气和汽缸中燃烧气体等温度高达2000℃，热核等离子区温度达到17000℃，普通的温度计早就化了。这时就要使用超声温度计。它不但可以测高温和某些特殊情况下的温度，而且反应迅速。

　　超声温度计的原理是，利用介质的声速与温度有一定关系的规律，测量声速、算出温度。超声温度计实际上是声速计，当然在测量高温时，超声换能器也要加上水套，以冷却保护。

　　6、流速和流量的测量
　　在石油、化工工业的生产流程中，流量可以使用超声进行测量。声在流动的液体中传播，顺流时传播速度为声速加流速，逆流时为声速减流速，所以可以用顺流和逆流声传播的时间差来测流速。在管子上放两对发射接收换能器，相对进行收发，测量两个接收换能器收到信号的时间差，就可以测出流速。

　　再有就是利用多普勒效应，在流体中传播的声波、频率会变化，其变化程度与流速和原来的频率有关。可以在上游和下游发出同样频率的连续声波，测量两处接收换能器收到信号的频率差，也可以测出流速。

　　7、超声粘度计
　　液体粘度不同，它的切变阻抗就不同，因此把换能器放在被测物体中，使换能器做切变运动。由于液体粘度大小、阻力不同，换能器在受到阻力后，从它输入端电压电流的关系变化，可以测出阻力变化，因而也就测出粘度。

　　柴油和煤油声速不同，在石油分馏和运输中，哪一部分是煤油哪一部分是柴油，可以用煤油与柴油的声速差来确定。目前已有应用超声分油器实现在一个管道中输运几种不同的油品，这是用其他比重计解决不了的。

　　8、超声乳化
　　谁都知道油和水不能混在一起，但是如果加上大功率的超声，过一会儿，油和水就混在一起，放置很久都分不开，这种方法叫超声乳化。乳酪、乳浆，还有医药工业和化妆品工业中，现在广泛用超声制造各种乳剂型产品。汽油、煤油可以加少量水经超声波乳化，在一些燃烧过程中有节能、降低污染的效果。油煤浆、水煤浆在燃烧时可以节油，加上超声乳化之后，煤粉不易沉淀，使用起来更方便了。这是由于强超声造成空化，空化气泡的力量把液体分子和固体颗粒打碎，打成颗粒很细的质点，不同材料的质点就容易粘在一起，如油和水，就形成油包水或水包油的情况。

　　9、超声清洗
　　有些机械零件很小，但形状复杂，中间有孔、有穴、有管子，用溶剂、刷子都不易洗干净，这时就可以求助超声。把零件放在一个加上少许溶剂的罐子中，加上超声，很快零件就内外都洗干净了。这也是空化气泡冲击污垢，把污垢膜击碎，把污垢从物体表面剥离下来，并加快污垢的溶解。

　　10、超声粉碎
　　为了得到颗粒很细的粉末，通常使用球磨机，一磨几个小时。用超声对颗粒进行粉碎，比一般研磨法所得到的颗粒更小、更均匀。

　　11、超声搪锡
　　铝的表面有一层很薄很牢固的氧化膜，这给焊接或搪锡都造成很大困难。将铝件放在有熔融锡的槽中，加上超声振动，在超声空化效应作用下，可以除去铝件表面的氧化膜，并在未接触空气前就把锡牢固地附在铝的表面。不过在熔融锡中，超声换能器要加上冷却水套，加以保护。

　　12、超声加湿器
　　空气太干燥往往会引发各种呼吸道疾病，所以在北方冬季常常要给空气加湿。目前市面上出现的超声加湿器实际上是超声雾化器，在强超声的作用下把水“打碎”成为水雾。这种水雾的水珠很细，直径只有几个微米，因此可以在很长的时间漂浮在空气中而不落下来。而且由于没有加热过程，所以不会影响室内的温度。

　　13、超声焊接
　　用超声可以焊接金属，也可以焊接塑料，某些难焊的特殊的稀有金属如钼、钛、铍等，在超声作用下也能焊接，所以在核工业、空间技术等领域中可能开发更多的应用。由于它具有基本不发热、不变形、不产生残余应力等特点，所以在焊接晶体管和集成电路芯片中的引出线等，有较大的优越性。

　　14、超声马达
　　超声马达是把电能转化为机械振动，然后再利用定子与转子之间的摩擦力使转子转动。超声马达与电马达相比，有转速低、力矩大、反应速度快、定位精度大、体积小、功率密度大、没有磁干扰、便于控制等优点。由于这些特点使其在机器人、计算机、仪器仪表及其他高技术产品中有很大的应用前景。

　　来源：正升环境科技股份有限公司
　　原题：高得听不见的声音——超声