不断扩大的超声世界

由 范文之家 分享时间：2022-10-31 18:25:31 加入收藏我要投稿点赞

不断扩大的超声世界

第六节　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。

图17　超声乳化过程示意

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

超声技术在最近十几年也广泛应用于材料加工和材料制备领域。利用声空化技术，可以制造出具有高强度、低密度的金属“海绵”，也可用于塑料工业中进行发泡处理。另外，随着纳米材料和纳米技术的迅猛发展，超声技术也广泛地应用于纳米技术中。

利用超声波的高能量及短波长的特性，可以制造纳米粉及超微粉。还可以利用超声波将纳米材料均匀分散在基体中制备纳米复合材料。

移动电话机里的超声

超声的实用性发展紧密地依靠电子学的发展，换能器的运用无不依赖电子技术，可是通过人们的不断创新，超声也可以反过来为电子学服务。尤其超声延迟线的应用以及将超声波从体声波引入到声表面波，促使超声迅速地大规模进入电子世界，触发了超声学中一门新的分支——超声电子学的骤然兴起。

1.超声延迟线

在第二次世界大战期间，人们在雷达和计算机的应用中，有时需要把电信号延迟一两个毫秒，而用电传输线一般只能延迟几微秒。有人便想到声波的小声速。因为声波的传播速度比电磁波的速度慢5个数量级，所以可以用超声信号来延迟电信号，于是制作了超声延迟线。

18　用平面工艺制作的超声延迟线

如图18所示，在长方形的压电薄片（称基片）表面上的两端各自沉积两条金属电极，电极间的压电材料隔出来作换能器，而把两个换能器之间的压电基片留作载声介质。

超声延迟线所延迟的不是超声信号，而是电信号。它是通过将接收到的电信号变成声信号在介质中传播后再将声信号变成电信号，最后输出的仍是同相貌的电信号，只不过延迟了。这种应用非常广泛，如在电视机线路中梳状滤波器的关键部件就是超声延迟线，以实现色度信号的分离。

2.实现电子器件小型化

19　压电基片表面下浅层内电场的分布

我们所谈的声波，一般是指在载声介质的内部传播，是一种充塞传播路程中的介质内部区域的声波，称之为体声波。体声波可以有两种传播形式，即“横波”和“纵波”。在气体和液体里，只能传播“纵波”，而在固体内比较复杂，既可传播纵波，也可以是横波。人们通过对压电换能器和超声延迟线的研究，引用了平面工艺之后，得到了声表面波。

如图19所示，在压电片（晶体）的表面上淀积电极，给电极上加电压时，两电极之间的电场并不限于出现在介质的表面，而会渗透到介质的表面浅层，则在压电基片的表面浅层引起了相应的从压电效应引发的声波，叫声表面波。

声表面波具有如下性质：

①传播速度只与介质性质有关，与频率无关，所以是非色散的；

②在晶体中一般质点振动方向既不与传播方向平行，也不与传播方向垂直；

③声表面波的能量集中在表面层内，沿深度方向迅速衰减，在1～2个波长后基本消失。

20世纪60年代诞生了利用声表面波制成的器件。因为声表面波具有较低的传播速度和极短的波长，是同频率电磁波波长的10－5倍，所以声表面波器件的尺寸是相应电磁器件尺寸的10－5倍，这表明声表面波技术能实现电子器件小型化。

3.移动电话机里的声表面波器件

在利用声表面波器件替代电子器件的发展过程中，研究工作者们不断探索，提出了许多很新颖的思路，如用叉指换能器来塑造信号波形。叉指换能器实际上是换能器“阵”，其上下两排电极像两排手指相互交叉相互连接成两端器件，因此叫“叉指换能器”，如图20所示。

当交变激励电压加到叉指换能器两电极上时，基片内建立起交变电场，因基片为压电材料，经逆压电效应，基片内激发起弹性振动，弹性振动在基片内传播形成弹性波，由于叉指电极为周期排列且极性正负交替，因此各电极对激发的弹性表面波互相加强。

图20　叉指换能器

叉指换能器激发的声表面波强度随叉指电极对数N的增加而增加，N越大激发越强。叉指换能器不仅像体声波换能器那样，把电信号转换成同波形的声信号，还能够经过适当设计，把电信号转换成不同波形的声信号，即担负了电声转换职责，又可以起改变电信号波形的作用，因此利用声表面波和超声叉指换能器制备的声表面波电子器件，已成为国内外的研究和应用热点。

因为声表面波是沿着基片在发射和接收两个接触器之间奔跑，可为声表面波增添导向机制，在有限的基片上设计许多跑道。这样既节省耗材，又减小所占用空间，随着半导体集成电路的发展，以及人造晶体的出现，人们对声表面波器件，愈来愈青睐，并在技术上取得更大突破，我国于20世纪70年代开始研制声表面波器件，现在声表面波已形成产业。

由于声表面器件具有体积小、质量轻、损耗小、设计灵活、容易制作、加工精度高、能批量生产、一致性高、成本低廉等许多优点，迅速应用于小型化的长时延迟线、滤波器、谐振器、振荡器、电码发生器及各种程序器、传感器、储存器件，形成许多形形色色的电子器件。

声表面波器件的最广泛应用是作为电滤波器和延时器。声表面滤波器是在一块具有压电效应的材料基片上蒸发一层金属膜，然后经光刻，在两端各形成一对叉指形电极组成。当在发射换能器上加上信号电压后，就在输入叉指电极问形成一个电场使压电材料发生机械振动（即超声波），以超声波的形式向左右两边传播，向边缘一侧的能量可由吸声材料所吸收。在接收端，由接收换能器将机械振动再转化为电信号，并由叉指形电极输出。