超声波技术及其应用       

     超声波技术及其应用产品可分为两类，一类是用较弱的超声来实现信息的采集与处理，该类技术产品有雷达、声纳、超声诊断、超声探伤、超声检测等等；另一类是用较强的超声，即功率超声，以其能量来改变材料或人体病灶的状态、性质或性能，该类技术及其应用产品有超声波清洗、超声波粉碎、超声波抛光、超声波搅拌、超声波焊接、超声波治疗乃至声化学等等。功率超声的核心作用是超声空化效应的应用。这里对超声波技术及其产品的应用现状与发展作一简要介绍，主要介绍功率超声及其应用。

  一．空化效应与功率超声  

1．超声空化效应（Ultrasonic Cavitation）

   大家知道，低于20Hz和高于20KHz的声波都是人耳听不到的声波，所谓超声波是指频率20KHz以上的波。超声波具有空化效应，通常是指液体中存在的微小气泡（空化核）在超声波作用下被激活所表现出的振荡、生长、收缩、崩溃等一系列动力学过程。早在100年前，英国第一艘驱逐舰下水试验时，就发现螺旋浆推进器在水中引起剧烈振动现象，Thornycro和Barnaby研究表明，由于螺旋浆在水中的旋转产生了大量气泡，这些气泡又在水的压力作用下随即收缩直至破碎而产生的。这是历史上首次对空化（cavitation）现象物理本质的描述。英国在这之后，几经改进设计，但终不能摆脱振动问题的困扰，逐正式邀请经典声学大师Rayleigh勋爵来研究这个问题，1917年，Rayleigh发表了题为《液体中球形空腔崩溃时产生的压力》这篇著明的研究论文，为其后空化理论的研究奠定了基础。

   理论与实验研究已证实，空化过程可以把声场能量集中（聚焦）起来，伴随空化泡崩溃瞬间，在液体中的极小空间内将其高度集中的能量释放出来，形成异乎寻常的高温（>5000K）、高压（>5×107pa）、强冲击波、射流等极端物理条件。

   2．功率超声

  功率超声是利用超声能量来改变物质组织结构、状态、功能或加速这些改变的过程，功率超声处理技术可以引发或强化机械、物理、化学、生物等过程，提高这些过程的质量和效率，达到其它处理技术难以达到的效果。功率超声在工业、农业、生物、医药卫生、环境保护等国民经济的各个部门以及国防工业中已得到广泛的应用，可以用于清洗、粉碎、雾化、乳化、匀化、提取、凝聚；可以用于电镀、搪锡、浸渍、过滤、加速干燥；可以用于焊接、切割、研磨、抛光；可以用于化学反应、石油开采；可以用于疾病治疗、外科手术。此外，近十年来超声振动切削、超声疲劳测试、超声悬浮、超声马达等新交叉学科迅速发展，已出现一些工业应用。

  二．超声波技术的应用

1．超声波清洗

1）   超声波清洗的机理和特点

   清洗无处不有，可以说人人都接触到，清洗又是极普通而又平凡的工作，但是，对一些特殊清洗对象就不是一件容易的事。超声由于它在液体中的空化作用能获得突出的清洗效果，在一些清洗难度大而质量要求高的工艺场合具有独特的地位。  

  图1是超声波清洗的原理图，其机理是，换能器将功率超声频源的声能转换成机械振动并通过清洗槽壁向槽中的清洗液辐射超声波，槽内液体中的微气泡在声波的作用下振动，当声压或声强达到一定值时，气泡迅速增长，然后突然闭合，在气泡闭合的瞬间产生冲击波使气泡周围产生1012~~1013pa的压力及局部高温，这种超声空化所产生的巨大压力能破坏不溶性污物而使他们分化于溶液中，蒸汽型空化对污垢的直接反复冲击，一方面破坏污物与清洗件表面的吸附，另一方面能引起污物层的疲劳破坏而被驳离，气体型气泡的振动对固体表面进行擦洗，污层一旦有缝可钻，气泡立即“钻入”振动，使污层脱落，由于空化作用，两种液体在界面迅速分散而乳化，当固体粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时，油被乳化、固体粒子自行脱落，超声在清洗液中传播时会产生正负交变的声压，形成射流，冲击清洗件，同时由于非线性效应会产生声流和微声流，而超声空化在固体和液体界面上会产生高速的微射流，所有这些作用，能够破坏污物，除去或削弱边界污层，增加搅拌、扩散作用，加速可溶性污物的溶解，强化化学清洗剂的清洗作用。

  由此可见，凡是液体能侵到且声场存在的地方都有清洗作用，其特点是清洗速度快、质量高，特别适用于表面形状非常复杂的零部件的清洗。尤其是采用这一技术后，可以减少化学溶剂的用量，从而大大降低环境污染。  

                              图1 超声波清洗原理图

  2）超声波清洗技术的应用

由于超声波清洗以其独特的优势实现了清洗不但速度快、质量好，而且大大降低了环境污染，因此，超声波清洗技术正在越来越多的部门中得到应用。

   我国超声波清洗技术的应用已经取得了较好的成效。一是机械零部件在电镀前后的清洗或喷涂前的清洗，拆修零部件的清洗，要求高清洗度，如油泵油嘴偶件、轴承、制动器、燃油过滤器、阀门的清洗。二是印制电路板、硅片、晶片、元器件壳、座、铁路系统用的信号控制继电器、元器件、连接件、显像管以及电真空器件等的清洗。三是眼镜、显微镜、望远镜、瞄准具等光学系统及取样玻璃片的清洗。四是医用器具、食品、制药、生化等实试中所用各种瓶罐的清洗。五是喷丝头、精密模具、精密橡胶件、珠宝工艺品等的清洗。

 ·超声波清洗在轻纺行业中的应用

  轻工行业，如空调、冷柜、冰箱中的压缩机；钟表零件、手表元件等；纺织行业，如精密纺织器材、喷丝嘴等；珠宝行业，如金银首饰、珠宝玉器等，都需要清洗，有些零件、部件和组件，如压缩机、喷丝嘴等或形状复杂，或盲孔、微孔，其清洗工艺由超声波清洗，甚至采用超声波链式或升降式成套设备取代刷洗、浸润、喷淋等传统清洗工艺已成必然趋势。

 ·超声波清洗在食品、化工行业的应用

   超声空化可以使多相液体产生乳化、分散和匀化；使固体颗粒粉碎、空化所产生的声流和微声流会增加搅拌和扩散作用，以及局部高温会加速化学反应。所以，除清洗作用外，在轻工、食品、制药和化学方面还有许多应用。

  超声乳化、混合。超声乳化的主要优点是不用或少用表面活性剂，在化妆品、饮料、制药工业及油水乳化、改善燃烧等方面已取得应用。用于油、煤和水混合做成混合燃料，以及油漆的混合等。

  固体颗粒分碎和分散。超声空化能破碎悬浮在液体中的固体颗粒，使粉末分散在液体中，如用于石墨染料的粉碎、云母及高岭土剥片；用于磁盘、磁带氧化铁粉的分散；处理陶瓷浆液时能提高成品密度，改善性能；用于破碎动植物细胞，以提取内容物等，特别是对中草药有效成份的提取优于其它提取工艺。

  超声雾化。超声雾化液体可以得到均匀而大小可控的雾滴，随着超声频率的提高，雾滴尺寸变小，超声雾化粘性液体时比用喷嘴雾化优越。超声雾化用于加湿是人们熟知的应用，此外，雾化还可用于吸入治疗，制造固体粉末以及进行均匀喷涂。

  晶粒细化。超声对结晶过程的影响有两个方面：一方面是对过饱和溶液晶体生长的影响；另一方面是在金属熔液的凝固过程中对晶粒结构的影响。强超声能加速有机和无机饱和溶液核晶的形成过程，抑制晶体生长而得到更细更均匀的晶粒，其原因是由于空化使晶团、树枝状晶破碎和分散，使每一个晶体形成许多新的晶核，这在食品工业、制药业已有一些应用。

 ·超声波清洗在军事装备领域的应用

  军事装备不外乎光、机、电类装备或光、机、电一体化装备，军事装备在服役过程中普布东西南北、高山丛林、海岛边防，军事装备在储备状态下，储存于军事仓库，这些装备在储备状态、训练、演习状态均免不了尘埃、污垢的吸附、污染，特别是一些复杂的兵器装备靠人工的方法擦拭保养，难度较大，而一旦采用超声波清洗技术保养兵器装备，问题就迎刃而解。例如装甲运兵车辆中的发动机、变速箱、制动器、化油器等；又如火炮、枪械等；还有各种军事电子装备的保养和维修。超声波清洗技术在军事装备领域的各级修理所尤其可以发挥其它清洗方法难以替代的作用。

3）超声波清洗技术的发展趋势

  随着信息化时代的发展、通信、光学、航空、航天、医学生物工程等诸多新领域不断开拓出越来越高精度的材料，如大型硅片、晶片、高档镜面、高密度芯片、超细管子、超微晶体管等材料、零部件的清洗，选择高强超声波清洗工艺，其效果和效率更好，已有文献报道：兆赫超声波清洗是超声波清洗的新技术。这是因为25—50KHz的低频超声波，对于某些表面光洁度高的零件或微细、超薄精密器件的清洗会引起表面损伤。

 目前，国外市场上已有商用的兆赫超声波清洗设备。美国Verteq、Imtec、ProSys公司已开发出这类设备用于半于半导体工业中的生产线上，在对100— 300mm 硅片的清洗中，可除去硅片表面上小到0.15um的微小颗粒。而且可加快漂洗过程并有效地阻止粒子在硅片表面上重新附着。兆赫超声波清洗是国外许多大规模集成电路制造厂家生产过程中不可缺少的标准设备。

  我国现有各类超声波清洗设备制造企业近40家，但其分布主要集中在东南沿海地区。据统计资料，沿海地区的厂家占全国总户数的85％，可见经济发达地区对超声波清洗技术的应用不但在先，而且广泛、普及程度高，同时，这又证明超声波清洗技术在中西部地区推广普及的前景十分广阔。

   2．超声波焊接

   超声波焊接已广泛用于集成电路引线焊接，近年来用于塑料——金属复合管的焊接很有发展前途。由于工艺上的突出优点，更为广泛应用的是热塑性塑料的超声焊接。焊接设备除传统的切向和纵向振动外，还发展了扭转和多系统的复合振动。焊接方式由叠焊发展到端面对接焊，功率容量达50KW。

  3．超声加工

  超声加工是由超声钻孔技术的出现发展起来的。在超声作用下金属会发生“软化现象”，应用超声可用于金属成型。目前，超声加工已发展了旋转加工、振动切削、抛光、研磨和珩磨等，超声加工的新技术有：超声冷拨金属管、超声拉丝、拉伸金属棒、金属挤压、金属铆镦、弯管与矫直。超声技术用于疲劳试验，比传统的材料疲劳试验快几百倍。

  4．超声马达

  近20年来，超声马达得到了迅速发展，超声马达的特点是低速（无需复杂的减速装置）、大力矩（最大力矩达 200kg /cm）、响应快、没有电磁干扰，易于微型化，超声马达已用于照相机的自动聚焦及微机器人。

  5．超声化学

  超声化学是近十年来快速发展的一门新的边缘交叉学科。超声在化学中应用，其最为显著的特点是加速化学反应、提高反应产率、降低反应条件，为化学反应开辟了新的途径。在合成化学、高聚合物化学和声电化学等方面都取得了重要进展，尤其是合成化学发展很快，主要是研究多相反应、特别是有机金属反应。在有机氧化、缩合、取代、偶联、加氢、环丙烷化和氢硅化反应等方面已得到广泛应用。

  6．超声波在生物工程中的应用

   在生物工程中，超声处理技术可以引发或强化机械、物理、化学、生物等过程，提高这些过程的质量和效率，达到其它处理技术难以达到的效果。超声处理技术向生物工程领域的渗透是近十年来的发展成就。超声的生物效应分为低强度超声的生物效应和高强度超声的生物效应。

1） 低功率超声的生物效应

  低功率超声可以在不破坏细胞的前提下，提高整个细胞新陈代谢的效率。一个简单的实例是用低功率超声激活液体培养基介质，从而增加海藻类细胞的生长速率，据文献报道，超声使蛋白质产量提高了3倍。研究结果还表明，超声对鱼卵的孵化有显著作用：每天用频率为1MHz的超声作用鱼卵三次，每次35min，可以使泥鳅的孵化时间从72h降至60h，并且超声能增加鱼卵的孵化率及孵出鱼苗的成活率。

  在播种前用低功率超声作用植物种子可以帮助打破休眠，促进植物种子发芽、生长、早熟和增产。这种技术除了能提高萌发率和生长率及缩短成熟期外，还能获得比化学法更洁净的种子来用于耕作。从上世纪的五十年代起，各国学者就着手进行超声作用水稻、麦子、玉米、药物、水果、蔬菜等农作物种子的研究，并且取得成果。如用20KHz、250W的超声处理“先锋1号”早稻增产10％；“ 691” 中稻萌发率增高并增产9％；用20KHz、250W的超声作用小麦种子20s，可以使种子萌发率、出苗率提高，并增产9.3—28.7％；用超声作用玉米种子6s，可以使种子萌发率提高40％。以上所说超声对种子的作用，一般都是将种子置于超声水溶中进行。据报导，近年，俄罗斯人研究了在播种前几个月用频率为20KHz，振幅为1—40um的超声连续干燥法处理种子。这种方法比超声水浴处理得到的湿种子更简便。该法能使向日葵种子在土壤中萌发率提高3倍，使西红柿成熟期缩短10天。 

  近年来，俄罗斯人发现用超声波连续作用于干燥种子，不但比超声水浴处理得到的湿种子更简便，而且对种子的包装、运输也更为简便。该法能使向日葵种子在土壤中的萌发率提高3倍；使西红柿成熟期缩短10天。

2）   高强度超声的生物效应

   高强度超声在作用于细菌悬浮液时，凝胶发生液化或乳化，从而使细菌失去生物活性，原因是由于超声空化效应引起的巨大压力和冲击变化使细菌失活。故而称为对细胞的“杀死”效应。实验表明，几乎所有的细菌体都会被高强度超声波所破坏，只是各自的敏感程度不同而已。功率越高杀菌效果则越强，如果配以杀菌剂则其杀菌能力就更好，这对医学上器官移植的杀菌意义重大。不同强度的超声可以收到提高酶活性或使酶失活的不同结果。

   由此可知，超声的生物效应随着超声频率、强度、作用时间的不同而不同，有时甚至产生截然相反的作用。对超声强弱的选择取决于生物工作研究的目的。

  7．超声在医学中的应用

  超声医学是近十年来发展形成的一个专门新学科。超声医学由超声诊断与超声治疗两部分组成。超声诊断是利用较弱的超声波的波动特性作用于人体内部组织采集病变信息；超声治疗则是利用较强的（即功率超声）超声波的能量特性适量地作用于人体内病变部位，通过某种生物物理作用机制（机械的、热学的或空化的）对人体组织的状态功能或结构产生影响而达到既定的医疗目的。

1）超声诊断 

  发达国家已将超声空化引发的声致发光用于诊断的研究，如Corskii等人把人体血浆声空化发光作为诊断早期癌症方法的研究成果预示出潜在的应用前景，Chernov等人研究7500多例患有消化道癌症、爱滋病及结核病患者血浆的声空化发光的结果表明，声空化发光完全可以对癌症和免疫力差的其它疾病起到辅助诊断作用。

2）超声治疗

  外科超声手术刀。通过变辐杆把几十千赫的超声波作用到待手术切除的人体组织上，有选择性地切除组织，可以大大减少术中失血、加快速度、提高手术质量。当超声手术作用于白内障时，称为超声白内障切除；当超声经切口作用于多余的脂肪组织时，超声波的机械振动与空化效应可使脂肪细胞破裂，脂肪酸溢出并排出体外，这就是国外号称的“人体雕塑术”。目前国内外医学美容界已广泛采用。

  近20年兴起的体外冲击波碎石术被誉为结石症治疗史上的一次革命。所谓冲击波碎石的机理，是超声空化造成流速高达 100m /s高射流作出的重要贡献。

  近10年来兴起的高强聚集超声（HIFU）技术在临床治疗癌症方面已初步取得令人振奋的效果，其突出特点是使超声束在体外施以聚焦、焦点处的高声强能量以每平方厘米数千至上万瓦的能量定位至达体内病灶组织上，可使病灶靶组织在0.5—5s的短时间内升温到 70℃ 以上，蛋白热固化使病灶靶组织坏死，而又不损伤周围的正常组织，其应用前景十分可观。