近代声学特点及主要研究内容-贺西平

1、主讲教师：贺西平陕西师范大学物理与信息技术学院专题十五 近代声学的主要应用技术（知识点三）知识点三：近代声学的主要应用技术 1. 超声在工业上的应用1.2 超声检测和无损评价1.1 大功率超声的工业应用2. 光声学与激光超声3. 声电子技术4. 生物医学超声5. 语言信息处理6. 水声信号处理技术7. 环境声学8. 电声系统及其应用1. 超声在工业上的应用 1.1大功率超声的工业应用声化学和声空化利用大功率超声波在液体中产生的空化效应，可改变物质的性质和状态空化：液体中的微小气泡核（微米级以下的小气泡）在超声波作用下产生振动，当声压（或者说超声波能量密度）达到一定值时，负压时气泡将迅速膨胀，正

2、压时收缩，此后或进入振动状态,或迅速闭合崩溃。气泡闭合时将产生冲击波，称为空化。其特点是气泡在急剧崩溃时会释放出巨大的能量，有强冲击力的微射流出现，伴随产生有高温高压，形成所谓的空化效应。常用的声化学反应器有l变幅杆浸入式声化学反应器l 清洗槽式声化学反应器l 液哨式声化学反应器l 杯式声化学反应器l 平行板式反应器l 管型反应器变幅杆浸入式化学反应器清洗槽式化学反应器液哨式声化学反应器平行板近场声化学反应器管形化学反应器例：污水处理、水消毒 n 空化可降解废水中 有毒有机污染物， 将水体中有害有机 物转变为CO2， H2O、无机离子或 转变为比原有机物毒性小的物质n 简便、高效、无二 次污染

3、等特点n 与紫外、氯化、化 学杀菌剂联合使用， 效果更佳l利用超声来加速化学反应，增加反应产率和引发新的 化学反应等l声化学技术在生产上可望为合成塑料、洗涤剂、制剂和化肥等化工工业方面带来重大变革，已受到化工生产行业的极大关注l超声波可实现乳化、脱气以及使高分子分解和聚合，促进化学反应等 超声波细胞粉碎机 利用强超声在液体中产生空化效应，对物质进行超声处理，能对多种动植物细胞、病毒细胞破碎，也可用来进行乳化、分离、匀化、提取、消泡、清洗等等。被广泛应用于生物化学、微生物学、药物化学、表面化学、物理学、动物学等领域超声波细胞粉碎机 超声清洗可用于几何形状复杂、清洗质量要求高而用其它方法清洗效果差

4、的中小精密零件，特别是工件上的深小孔、微孔、弯孔、盲孔、沟槽、窄缝等部位的精清洗，生产率和净化率都很高。 如对电子零件、电镀、五金、钟表、机械、表带、工具、光学镜片、珠宝首饰、眼镜架、半导体硅片、喷丝板过滤芯及玻璃器皿等的清洗清洗机机槽及换能器清洗机机槽及换能器 超声提取中药材主要成份l 空化使植物细胞壁及 整个生物体破裂，利 于有效成分溶出l 超声波振动可加速介质质点运动l 振动使样品萃取更均匀超声提取机超声换能器把电能转换为一定模式的机械振动（如纵弯），后利用定子(振动着的弹性体)与转子(或滑块)表面间的摩擦力使转子转动或移动。超声马达，具有体积小、响应快、制动快、精度高和抗电磁干扰等性能

5、，可用于照相机、传真机、打印机等设备中变焦、传送纸张等超声马达的3D运动 图 4.1.1 超 声 行 波 马 达 的 基 本 原 理 Z 滑 块 移 动 方 向 质 点 振动 轨 迹 声 波 传 播 方 向 X Y 直线型超声马达 超声马达l利用直径1毫米的超声马达制造出来的血管机器人，在直径为34毫米的血管里，活动得更加灵活，使血栓类疾病的治疗变得更加简单。这种小马达也可以用在胃镜中，制成体积更小的摄像头。将其用在国防上，则可以生产出更小的微型飞机，更方便、更隐蔽地收集信息，而不必担心被对方识别 l清华大学物理系声学研究室研制出了直径为1毫米的超声马达 将超声振动能量传递到两个焊体表面，在加

6、压的情况下， 使两焊件表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合 超声金属焊接超声金属焊接可焊接一般很难可互焊的稀有金属，如钛、钼等Static ForceHorn/SonotrodeTransducerAnvilWorkpiecesVibrationPower SupplyLateral Drive SystemBoosterStatic ForceSonotrodeVibrationWorkpiecesAnvilWeld ZoneWeld zoneAsperitiesOxideMetal可焊接一般很难焊接的稀有金属，如钛、钼等超声金属焊接优点l固态形式焊接,不需外部加热，焊接时间短l对工件表面清洁

7、度要求不高，环保不产生污染物l薄厚金属可搭接焊，同种和不同种金属间均可焊 l处理超声焊接无需助焊剂、金属填料l压力较小，与电气焊相比耗费能量少l焊接时间短，容易自动化超声波金属焊接缺点l只适用于搭接接头，焊接厚度受限l不相熔的金属不能焊接l有一定噪声产生能量导引体处产生的应变、热量最大 超声塑料焊接超声塑料焊接优点l 速度快，一般少于1sl 无污染l 适用于一般的热塑性塑料l 相对低的焊接成本l 焊接后粘接强度高l 易自动化缺点l 不能大尺度焊接，几何尺寸受限l 焊前需要设计焊点超声塑料焊接焊前焊后 超声波在脆硬材料（如玻璃、陶瓷、石英、硅、玛瑙、宝石、金刚石等）上可加工圆孔、型孔、型腔、套料

8、、微细孔等.需要工作液 、磨料 、 循环系统超声打孔、雕刻 超声雕刻、打孔、抛光等加工处理l 雾滴大小(1-5微米)与超声频率及声强有关l 800kHz3MHzl 雾化也可用于制备金属粉末 超声波使液体表面隆起，在隆起的液面周围发生空化，使液体直接雾化成小分子的气雾。利用超声雾化可使药物分子气雾后直接进入毛细血管或肺泡，达到治疗的目的。适用于感冒、过敏性鼻炎、鼻塞等。优点是不需加热或添加任何化学试剂 超声雾化超声雾化l 在需干燥物表面空化后形成超声喷雾l 空化使水产生氧化羟基，并破坏细菌的膜结构：枯草芽孢杆菌、大肠杆菌、李氏特菌、沙门菌、葡萄球菌、链球菌等等超声干燥 超声干燥、消毒1. 超声在

9、工业上的应用 1.2超声检测和无损评价 物体内部的不均匀性，如气泡、裂痕、夹杂、疏松、位错或脱粘等缺陷，会引起超声波强度不同的反射信号 多普勒效应可测流体的流速、流量；回波可测厚度、液位；声速的变化可测粘度、应力、温度等 超声无损评价(或超声检测)与电磁波、X光及粒子探测技术并列为探索物质结构的四大技术声波在材料中的传播时，其声速随应力和温度而变化；声波在不同物体内的衰减程度不一样。利用这些属性可对物质进行评价，如对金属材料的多晶颗粒、残余应力大小进行评价，可获得安全使用金属材料的信息 适用于金属和部分非金属材料的无损检测，尤其适用于流动性大的野外或高空作业探伤，可作为无损检测人员资格考核用标

10、准化仪器 目前通常采用的脉冲反射法.超探仪是一种便携式工业无损探伤仪器，它能够快速便捷、无损伤、精确地进行工件内部多种缺陷（裂纹、夹杂、折叠、气孔、砂眼等）的检测、定位、评估和诊断超声探伤仪 超声探伤A型超声探伤反射波形型超声探伤反射波形裂纹裂纹监测设备构件内部及表面缺陷。探头向试件发射纵波(垂直探伤)或横波(斜向探伤)，并接收从缺陷处传回的反射波 穿透法 两个探头分别置于被测试件相对的两个侧面。穿透法又叫透射法，根据超声波穿透工件后的能量变化来判断工件内部有无缺陷。根据接收到超声波能量的大小判断缺陷位置及大小 脉冲反射法收发探头发射超声脉冲到被测工件，遇到缺陷时产生反射，由反射信号大小及在显

11、示器上的位置判断缺陷大小及深度 A型超声波探伤(反射法） 起始波 缺陷反射波 底波工件缺陷 利用超声波穿过流动的流体时，沿着顺流方向和逆流方向的传播速度不同，而产生时间差的原理，设计制造出来的。广泛的应用于管网给排水、电厂锅炉给水、食品加工清洗用水、纸厂用水、地热取水、地下取水以及化工厂腐蚀性高粘度的化学液体的计量 F1发射的超声波先到达 T1超声波流量计 智能超声波流量计 测得在一定时间间隔内相对于移动物体的两次超声回波的时间，可知这两次超声波传播的距离差，路程除以时间间隔就是移动物体的速度超声波测量车速 超声多普勒测量车速 激光超声的产生：当强度调制的低功率密度的激光束照射于物质(包括气体

12、、液体和固体)时，物质吸收光能导致局部温升，激发出纵波、横波和表面波；或者高功率密度的激光照射导致材料熔化、气化，将有一小部分表面物质被喷射出来，从而给材料表面施加了一个非常高的反作用力导致声波产生传感器和光学法接收产生的超声实现检测：有缺陷的样品与无缺陷的样品波形变化非常明显，因缺陷的存在改变了激光激励超声的边界条件。若能与红外照相(热像)技术相结合而发展为热脉冲回波成像技术将更好。适合于对航空、航天飞机、输气、输油管道等大型机件的非接触式大面积的无损检测2. 激光超声 声表面波器件可对信号完成传递、延迟、滤波、展宽、压缩、移频、调制、解调、开关、放大、编码、解码、卷积相关、倒谱分析、富氏变

13、换及其他数学变换等信号处理功能 声表面波器件广泛应用于通讯、雷达、电子对抗、电视广播、光电子学以及传感控制等领城。目前主要是几十兆赫至几百兆赫频段3. 声电子技术 超声与X光、核磁共振成为医学三大诊断手段 超声诊断在医院中已普遍推广，许多疾病都可由超声诊断仪(如A型扫描仪，B型超声断面显像仪，多普勒血流图等等)早期发现 超声治疗：利用超声的热效应、振动效应以及由强振动引起的空化效应超声外科手术：超声手术刀代替通常的手术刀，切除人体病变组织4. 生物医学超声 B超诊断仪 扫描声成像是通过扫描从不同位置“照明”物体和接收含有物体信息的声信号，经过相应的适当处理，获得与声束方向一致的物体的切面回声图

14、，并在荧光屏上显示可见图像B超诊断仪 超声治疗原理 可调控的超声能量穿透至病变部位并聚积，由表及里，从里到外的治疗，精确定位，表皮无损伤 病变组织细胞在超声波的热效应、机械效应、空化效应作用下发生可逆改变、恢复功能 不可逆改变的组织细胞凝固坏死超声治疗仪 超声手术刀：出血少、对周围组织伤害小、术后恢复快，主要有超声切骨、白内障乳化、吸脂等l应用超声波的“切割效应”及“空化效应”将白内障晶体破碎乳化后吸出眼外，植入人工晶体，以恢复视力。超声乳化术是目前世界上最先进的白内障手术 超声乳化去除白内障A.语言识别: 旅行信息查询、飞机订票、城市查勘以及办公室管理等特殊应用场合的语言识别和语言理解系统都

15、取得了较好的效果B.语言合成: 语音合成是通过机械的、电子的方法产生人造语音的技术。例如，可为残疾人提供朗读或助讲等等 5. 语言信息处理 声波是唯一能在海水中有效地进行远距离信息传递的载体 所有的水下探测、通讯、导航、遥控等活动都离不开声学6. 水声信号处理技术主动声纳 典型的主动声呐阵列被动声纳 潜艇噪声测量用阵列 声信号的处理和分析经常借鉴其他学科中的方法和技术，是较早应用数字技术的学科，如FFT(快速傅里叶变换),短时傅里叶变换及时频分析、数字滤波技术、小波变换、阵列信号处理等. 被动拖曳阵列声呐 环境科学是当前研究的前沿热点之一，其中环境声学由于人类生存条件的变化，引起了很大的重视

16、为了改善厅堂内音质及隔绝室外噪声，对吸声材料和隔声材料进行了理论和实验研究 噪声控制，一般采取隔绝的方式，近年来则发展有源消噪和减振的方式，即人为地有目的地产生次级声振动信号去抵消原有噪声，从而达到消噪和除噪的目的。 如耳鸣干扰器、掩蔽声等7. 环境声学 小孔消声器是控制空气动力性噪声往外传播的有效设备，在内部作声学处理后，可以大大降低噪音的产生和传播，且不影响气流通过。安装消声器后，设备消声量可达到20-40dB(A)，主观感觉响度相应降低50-90%的效果小孔消声器 枪的声音主要来自子弹出堂，空气冲出枪口是巨大的压力 对外面的空气引起的冲击震动消音器 传声器(话筒)和扬声器(喇叭)，除音质好之外，对外形(如小型化)等也有特殊要求。例如，要求扬声器(喇叭)同时承受功率大、动态范围