超声波的应用及危害论文

超声的应用及危害超声波的基本原理超声波的基本原理是其应用的基础，只有在了解其原理的基础上才能更好的应用超声波，促进超声波的发展，下面就对其原理作简要介绍。超声波的简介科学家们将每秒钟振振动的次数称为声音的频振动，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为20〜20000赫兹。当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。通常用于医学诊断的超声波频率为 1〜5兆赫兹。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声现象所用的频率范围在 2-5兆Hz之间，常用为3s3.5兆Hz（每秒振动1次为1Hz，1兆Hz=10"6Hz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在16-20,000HZ之间）。超声波是声波大家族中的一员。总的来说与可闻波相比,超声波由于频率高、波长短，在传播过程中具有许多其特有的性质：方向性好、能量大、穿透能力强、引起空化作用，也正是些特点，使得超声波在工业、农业、医学、军事等众多方面都有着及其广泛的应用。超声的利用清洗的超声波应用原理是由超声波发生器发出的高频振荡信号， 通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质，清洗溶剂中超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡，存在于液体中的微小气泡（空化核）在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡迅速增长，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压力，破坏不溶性污物而使它们分散于清洗液中，当团体粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子即脱离，从而达到清洗件表面净化的目的。医生所用的超声波扫描术可说是超声波最重要的应用。医学超声波检查的工作原理与声纳有一定的相似性，即将超声波发射到人体内，当它在体内遇到界面时会发生反射及折射，并且在人体组织中可能被吸收而衰减。因为人体各种组织的形态与结构是不相同的，因此其反射与折射以及吸收超声波的程度也就不同，医生们正是通过仪器所反映出的波型、曲线，或影象的特征来辨别它们。此外再结合解剖学知识、正常与病理的改变，便可诊断所检查的器官是否有病。超声波扫描可以帮助医生测量胎儿的大小以确定产期，检查胎儿的性别、生长速度、头的位置是否正常向下、胎盘的位置是否正常、羊水是否足够，与及监察抽羊水的过程，以保障胎儿的安全等。此外，超声波扫描术也用于妇科检查，它可以帮助医生有效地把生长在乳房或卵巢中的恶性组织分辨出来。超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术 。把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息（如对声波的反射、吸收和散射的能力），经声透镜汇聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。上述装置称为超声显微镜。超声成像技术已在医疗检查方面获得普遍应用，在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查，在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。声全息术是利用超声波的干涉原理记录和重现不透明物的立体图像的声成像技术，其原理与光波的全息术基本相同，只是记录手段不同而已（见全息术）。用同一超声信号源激励两个放置在液体中的换能器，它们分别发射两束相干的超声波：一束透过被研究的物体后成为物波，另一束作为参考波。物波和参考波在液面上相干叠加形成声全息图，用激光束照射声全息图，利用激光在声全息图上反射时产生的衍射效应而获得物的重现像，通常用摄像机和电视机作实时观察。由超声波原理制作的各种仪器超声波定位，超声波加湿器，超声波洗衣机，高速测定仪，超声波探测固体内部故障，B超，雷达探测，清洗精细物品，击碎人体胆结石，电阻焊的焊点强度的检测，超声波提取生物纳米，超声波制药，超声波乳化，航海声纳，建筑物探测。超生的危害超声波在生物体内传播时，通过组织间的相互作用，导致生物体机能和结构变化，称为超声波的生物效应，产生生物效应的机制是热效应和空化效应。所谓的热效应是指超声波传播过程中，部分能量被生物组织吸收转变为热能，使组织温度增高；空化效应是指超声波传播过程中与组织中的气核或微气泡相互作用，使其突然爆破，产生巨大的瞬间压力，使组织内部结构改变低剂量超声是潜在的致癌与致畸形因素，而且不同频率、不同声强对不同个体有一定危害。因为超声波对固体和液体都有很强的穿透本领，能量较大时可以使物质微粒作高频振动，部分能量还可以转变为热能，使局部温度升高。高强度的脉冲超声波在含有微米级小气泡的液体中传播时，可导致气泡收缩、膨胀以至猛烈爆炸，这种现象称为“空化现象”。不久前美国著名超生物物理专家卡斯坦森指出，某些临床使用的超声图像诊断仪的最大输出强度已达1千瓦/平方厘米，这个强度足以使生物体产生瞬态空化现象。对生物体来说，瞬态空化作用时，靠近爆炸气泡附近的细胞会受到损伤，一般说来，在人体内大多数器官和生物流体中，损伤少量细胞不会对人体产生危害。国内外发展状况和需改进的地方一般认为，关于超声波的研究最初起始于1876年F.Galton的气哨实验。这些年来，随着超声波技术研究的不断深入，在加上其具有的高精度、无损、非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及。目前已经广泛地应用在机械制造、电子冶金、航海、宇航、石油化工、交通等工业领域。此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。国外在提高超声波测距方面做了大量的研究，国内一些学者也作了相关的研究。对超声波测距的精度主要取决于所测的超声波传输时间和超声波在介质中的传输速度，二者中以传输时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低传输时间的不确定度来提高测距精度。目前相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。《超声波测距精度的探讨》⑴一文中提到测量回波用到门限值的方法来测量回波的真实时间。选取一定的门限值，接收回波的包络线大于门限值时确定为回波到达的时间。回波的第一个周期的峰值作为测量标准，以该值的75%作为门限值，测出时间，由此计算出超声波真实的到达时间。此方法对第3个波近似计算为波峰的75%，所以对精度要求较高的测量并不足够。《超声波测距误差分析》⑵认为收发换能器分离比一体化更减少盲区距离。提出减小盲区的改善措施可以减少发射波串的长度，发射波频率增高，波长减小，可以减少绕射，还可以用喇叭口形的聚波器束窄方向瓣。这些措施也有一定限度，例如：发射波串的长度过短将使得发射换能器激振达不到最大值或不能被激振。发射波频率加高受到换能器特性限制，同时，发射波频率加高使超声波在媒介中的衰减大幅度加剧，使作用距离下降。《高精度的超声波测距系统在移动机器人导航方面的应用》⑶提出一种比较有效的测量回波方法。它对回波包络线进行峰值检测作为回波时间点。传统的测量方法，以接收信号的幅值超过系统所规定的阈值时的时刻作为停止计时信号。时间检出点是随距离变化而变化的，这种“时间检出点”的变化就产生了距离测量的误差。针对回波信号的特点，采用峰值时间点检出方法，首先回波将经过放大、滤波后的回波信号进行线性包络检波，然后对检波的输出信号进行微分处理，最后对微分电路的输出进行零点交叉检测，即可得到回波信号的峰值时间，此时无论被测距离远近，即在回波信号包络线的峰值点。《一种高精度超声波测距处理方法》⑷提出一种基于归一化包络曲线方程的抗起伏信号处理方法。处理步骤为：用一定的检测方法计算出方程中的起伏参数：根据包络方程推算出回波的理想前沿；得到准确的声波传输时间；乘声速除2即得距离。这种方法从软件算法上计算回波时间点，过程过于复杂，有效性不清楚。不如《高精度的超声波测距系统在移动机器人导航方面的应用》的方法简洁。且对于本系统指令响应要求高，单片机存储空间有限，较复杂的算法并不适用于本系统。《用于微地形探测的超声波测距系统》⑸通过软件编程和硬件方法，在绕射波有效阶段封闭CPU中断申请，躲避有效干扰。此方法能解决超声波绕射问题，但是会增加盲区范围。此文论述到处理这种串绕信号一般有两种方法：（1）通过软件编程从开始发射到虚假反射波结束时清零，从而使其不会向CPU发出中断申请，即可有效躲避干扰。（2）采用74LS74A构成双。触发器，使比较后的信号仅在超声波反射时间内输出为高电平，在从发射到接收到虚假反射波这段时间内置0，从而在接收到串绕信号时也不会发出中断请求。通过这两种方法都能够有效地躲过串绕信号，但同时也会形成盲区，系统的盲区约为lOOmm左右。对于本系统并不适用。《自动增益电路在超声波测距系统中的应用研究》［6提出自动增益补偿电路使误差控制在0.2mm至0.5mm之间，并减少测距盲区，盲区范喇为6-7cm。此方法对提高精度和减少盲区都较有效。在软件编写的动态改变发射功率时可以作参考。简而言之，综述研究现状，虽然某些研究方法仍存在不足和困难的地方，但也可看到一些优秀的测量方法，应取其精华，去其糟粕。但总的来说，论文中系统的盲区范围较大，一般有lOcm左右距离，个别较好的有4-6cm距离。根据超声波测距的原理，设计了以51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距系统