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超聲波介紹

  超聲波是頻率高於20000赫茲的聲波,它方向性好,穿透能力強,易於獲得較集中的聲能,在水中傳播距離遠,可用於測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。
  超聲波
  科學家們將每秒鍾振動的次數稱為聲音的頻率,它的單位是赫茲(Hz)。凱發AG旗艦廳下載人類耳朵能聽到的聲波頻率為20Hz~20000Hz。當聲波的振動頻率小於20Hz或大於20KHz時,凱發AG旗艦廳下載便聽不見了。因此,凱發AG旗艦廳下載把頻率高於20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。通常用於醫學診斷的超聲波頻率為1兆赫茲~5兆赫茲。
  理論研究表明,在振幅相同的條件下,一個物體振動的能量與振動頻率成正比,超聲波在介質中傳播時,介質質點振動的頻率很高,因而能量很大.在中國北方幹燥的冬季,如果把超聲波通入水罐中,劇烈的振動會使罐中的水破碎成許多小霧滴,再用小風扇把霧滴吹入室內,就可以增加室內空氣濕度,這就是超聲波加濕器的原理。如咽喉炎、氣管炎等疾病,很難利用血流使藥物到達患病的部位,利用加濕器的原理,把藥液霧化,讓病人吸入,能夠提高療效。利用超聲波巨大的能量還可以使人體內的結石做劇烈的受迫振動而破碎,從而減緩病痛,達到治愈的目的。超聲波在醫學方麵應用非常廣泛,像現在的彩超、B超、碎石(例如膽結石、腎結石、祛眼袋 之類),還能破壞細菌結構,對物品進行殺菌消毒。
產生方式
  聲波是物體機械振動狀態(或能量)的傳播形式。所謂振動是指物質的質點在其平衡位置附近進行的往返運動形式。譬如,鼓麵經敲擊後,它就上下振動,這種振動狀態通過空氣媒質向四麵八方傳播,這便是聲波。超聲波是指振動頻率大於20000Hz以上的,其每秒的振動次數(頻率)甚高,超出了人耳聽覺的一般上限(20000Hz),人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲和可聞聲本質上是一致的,它們的共同點都是一種機械振動模式,通常以縱波的方式在彈性介質內會傳播,是一種能量的傳播形式,其不同點是超聲波頻率高,波長短,在一定距離內沿直線傳播具有良好的束射性和方向性,目前腹部超聲成象所用的頻率範圍在 2~5兆Hz之間,常用為3~3.5兆Hz(每秒振動1次為1Hz,1兆Hz=10^6Hz,即每超聲波秒振動100萬次,可聞波的頻率在16-20,000HZ 之間)。
  超聲波在媒質中的反射、折射、衍射、散射等傳播規律,與可聽聲波的規律沒有本質上的區別。但是超聲波的波長很短,隻有幾厘米,甚至千分之幾毫米。與可聽聲波比較,超聲波具有許多奇異特性:傳播特性──超聲波的波長很短,通常的障礙物的尺寸要比超聲波的波長大好多倍,因此超聲波的衍射本領很差,它在均勻介質中能夠定向直線傳播,超聲波的波長越短,該特性就越顯著。功率特性──當聲音在空氣中傳播時,推動空氣中的微粒往複振動而對微粒做功。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。在相同強度下,聲波的頻率越高,它所具有的功率就越大。
  由於超聲波頻率很高,所以超聲波與一般聲波相比,它的功率是非常大的。空化作用──當超聲波在液體中傳播時,由於液體微粒的劇烈振動,會在液體內部產生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合,會使液體微粒之間發生猛烈的撞擊作用,從而產生幾千到上萬個大氣壓的壓強。微粒間這種劇烈的相互作用,會使液體的溫度驟然升高,起到了很好的攪拌作用,從而使兩種不相溶的液體(如水和油)發生乳化,且加速溶質的溶解,加速化學反應。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應稱為超聲波的空化作用。
  頻率高於2×10千赫茲的聲波。研究超聲波的產生、傳播、接收,以及各種超聲效應和應用的聲學分支叫超聲學。產生超聲波的裝置有機械型超聲發生器(例如氣哨、汽笛和液哨等)、利用電磁感應和電磁作用原理製成的電動超聲發生器、以及利用壓電晶體的電致伸縮效應和鐵磁物質的磁致伸縮效應製成的電聲換能器等。
3 主要參數 編輯本段
  超聲波的兩個主要參數:
  頻率:F≥20KHz(在實際應用中因為效果相似,通常把F≥15K的聲波也稱為超聲波);
  功率密度:p=發射功率(W)/發射麵積(cm2);通常p≥0.3w/cm2; 在液體中傳播的超聲波能對物體表麵的汙物進行清洗,其原理可用“空化”現象來解釋:超聲波振動在液體中傳播的音波壓強達到一個大氣壓時,其功率密度為0.35w/cm2,這時超聲波的音波壓強峰值就可達到真空或負壓,但實際上無負壓存在,因此在液體中產生一個很大的壓力,將液體分子拉裂成空洞一空化核。此空洞非常接近真空,它在超聲波壓強反向達到最大時破裂,由於破裂而產生的強烈衝擊將物體表麵的汙垢撞擊下來。這種由無數細小的空化氣泡破裂而產生的衝擊波現象稱為“空化”現象。太小的聲強無法產生空化效應。
4 主要作用 編輯本段
4.1 超聲波清洗原理
  清洗的超聲波應用原理是由超聲波發生器發出的高頻振蕩信號,通過換能器轉換成高頻機械振蕩而傳播到介質,清洗溶劑中超聲波在清洗液中疏密相間的向前輻射,使液體流動而產生數以萬計的微小氣泡,存在於液體中的微小氣泡(空化核)在聲場的作用下振動,當聲壓達到一定值時,氣泡迅速增長,然後突然閉合,在氣泡閉合時產生衝擊波,在其周圍產生上千個大氣壓力,破壞不溶性汙物而使它們分散於清洗液中,當團體粒子被油汙裹著而粘附在清洗件表麵時,油被乳化,固體粒子即脫離,從而達到清洗件表麵淨化的目的。
4.2 醫學
  醫學超聲波檢查的工作原理與聲納有一定的相似性,即將超聲波發射到人體內,當它在體內遇到界麵時會發生反射及折射,並且在人體組織中可能被吸收而衰減。因為人體各種組織的形態與結構是不相同的,因此其反射與折射以及吸收超聲波的程度也就不同,醫生們正是通過儀器所反映出的波型、曲線,或影象的特征來辨別它們。此外再結合解剖學知識、正常與病理的改變,便可診斷所檢查的器官是否有病。
  目前,醫生們應用的超聲診斷方法有不同的形式,可分為A型、B型、M型及D型四大類。
  A型:是以波形來顯示組織特征的方法,主要用於測量器官的徑線,以判定其大小。可用來鑒別病變組織的一些物理特性,如實質性、液體或是氣體是否存在等。
  B型:用平麵圖形的形式來顯示被探查組織的具體情況。檢查時,首先將人體界麵的反射信號轉變為強弱不同的光點,這些光點可通過熒光屏顯現出來,這種方法直觀性好,重複性強,可供前後對比,所以廣泛用於婦產科、泌尿、消化及心血管等係統疾病的診斷。
  M型:是用於觀察活動界麵時間變化的一種方法。最適用於檢查心髒的活動情況,其曲線的動態改變稱為超聲心動圖,可以用來觀察心髒各層結構的位置、活動狀態、結構的狀況等,多用於輔助心髒及大血管疫病的診斷。
  D型:是專門用來檢測血液流動和器官活動的一種超聲診斷方法,又稱為多普勒超聲診斷法。可確定血管是否通暢、管腔是否狹窄、閉塞以及病變部位。新一代的D型超聲波還能定量地測定管腔內血液的流量。近幾年來科學家又發展了彩色編碼多普勒係統,可在超聲心動圖解剖標誌的指示下,以不同顏色顯示血流的方向,色澤的深淺代表血流的流速。現在還有立體超聲顯象、超聲CT、超聲內窺鏡等超聲技術不斷湧現出來,並且還可以與其他檢查儀器結合使用,使疾病的診斷準確率大大提高。超聲波技術正在醫學界發揮著巨大的作用,隨著科學的進步,它將更加完善,將更好地造福於人類。
4.3 工業自動化控製
  利用聲波反射、衍射、多普勒效應,製造超聲波物位計、超聲波液位計、超聲波流量計等。
4.4 超聲學
  研究超聲波的產生、傳播 、接收,以及各種超聲效應和應用的聲學分支叫超聲學。產生超聲波的裝置有機械型超聲發生器(例如氣哨、汽笛和液哨等)、利用電磁感應和電磁作用原理製成的電動超聲發生器、以及利用壓電晶體的電致伸縮效應和鐵磁物質的磁致伸縮效應製成的電聲換能器等。
  超聲效應 當超聲波在介質中傳播時,由於超聲波與介質的相互作用,使介質發生物理的和化學的變化,從而產生一係列力學的、熱學的、電磁學的和化學的超聲效應,包括以下4種效應:
  ①機械效應。超聲波的機械作用可促成液體的乳化、凝膠的液化和固體的分散。當超聲波流體介質中形成駐波時,懸浮在流體中的微小顆粒因受機械力的作用而凝聚在波節處,在空間形成周期性的堆積。超聲波在壓電材料和磁致伸縮材料中傳播時,由於超聲波的機械作用而引起的感生電極化和感生磁化(見電介質物理學和磁致伸縮)。
  ②空化作用。超聲波作用於液體時可產生大量小氣泡。一個原因是液體內局部出現拉應力而形成負壓,壓強的降低使原來溶於液體的氣體過飽和,而從液體逸出,成為小氣泡。另一原因是強大的拉應力把液體“撕開”成一空洞,稱為空化。空洞內為液體蒸氣或溶於液體的另一種氣體,甚至可能是真空。因空化作用形成的小氣泡會隨周圍介質的振動而不斷運動、長大或突然破滅。破滅時周圍液體突然衝入氣泡而產生高溫、高壓,同時產生激波。與空化作用相伴隨的內摩擦可形成電荷,並在氣泡內因放電而產生發光現象。在液體中進行超聲處理的技術大多與空化作用有關。
  ③熱效應。由於超聲波頻率高,能量大,被介質吸收時能產生顯著的熱效應。
  ④化學效應。超聲波的作用可促使發生或加速某些化學反應。例如純的蒸餾水經超聲處理後產生過氧化氫;溶有氮氣的水經超聲處理後產生亞硝酸;染料的水溶液經超聲處理後會變色或退色。這些現象的發生總與空化作用相伴隨。超聲波還可加速許多化學物質的水解、分解和聚合過程。超聲波對光化學和電化學過程也有明顯影響。各種氨基酸和其他有機物質的水溶液經超聲處理後,特征吸收光譜帶消失而呈均勻的一般吸收,這表明空化作用使分子結構發生了改變。
5 超聲應用
  超聲效應已廣泛用於實際,主要有如下幾方麵:
5.1 ①超聲檢驗
  超聲波的波長比一般聲波要短,具有較好的方向性,而且能透過不透明物質,這一特性已被廣泛用於超聲波探傷、測厚、測距、遙控和超聲成像技術。超聲成像是利用超聲波呈現不透明物內部形象的技術。把從換能器發出的超聲波經聲透鏡聚焦在不透明試樣上,從試樣透出的超聲波攜帶了被照部位的信息(如對聲波的反射、吸收和散射的能力),經聲透鏡匯聚在壓電接收器上,所得電信號輸入放大器,利用掃描係統可把不透明試樣的形象顯示在熒光屏上。上述裝置稱為超聲顯微鏡。超聲成像技術已在醫療檢查方麵獲得普遍應用,在微電子器件製造業中用來對大規模集成電路進行檢查,在材料科學中用來顯示合金中不同組分的區域和晶粒間界等。聲全息術是利用超聲波的幹涉原理記錄和重現不透明物的立體圖像的聲成像技術,其原理與光波的全息術基本相同,隻是記錄手段不同而已(見全息術)。用同一超聲信號源激勵兩個放置在液體中的換能器,它們分別發射兩束相幹的超聲波:一束透過被研究的物體後成為物波,另一束作為參考波。物波和參考波在液麵上相幹疊加形成聲全息圖,用激光束照射聲全息圖,利用激光在聲全息圖上反射時產生的衍射效應而獲得物的重現像,通常用攝像機和電視機作實時觀察。
5.2 ②超聲處理
  利用超聲的機械作用、空化作用、熱效應和化學效應,可進行超聲焊接、鑽孔、固體的粉碎、乳化 、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、滅菌、促進化學反應和進行生物學研究等,在工礦業、農業、醫療等各個部門獲得了廣泛應用。
5.3 ③基礎研究
  超聲波作用於介質後,在介質中產生聲弛豫過程,聲弛豫過程伴隨著能量在分子各自電度間的輸運過程,並在宏觀上表現出對聲波的吸收(見聲波)。通過物質對超聲的吸收規律可探索物質的特性和結構,這方麵的研究構成了分子聲學這一聲學分支。普通聲波的波長遠大於固體中的原子間距,在此條件下固體可當作連續介質。但對頻率在1012赫以上的 特超聲波 ,波長可與固體中的原子間距相比擬,此時必須把固體當作是具有空間周期性的點陣結構。點陣振動的能量是量子化的 ,稱為聲子(見固體物理學)。特超聲對固體的作用可歸結為特超聲與熱聲子、電子、光子和各種準粒子的相互作用。對固體中特超聲的產生、檢測和傳播規律的研究,以及量子液體——液態氦中聲現象的研究構成了近代聲學的新領域。 
  聲波是屬於聲音的類別之一,屬於機械波,聲波是指人耳能感受到的一種縱波,其頻率範圍為16Hz-20KHz。當聲波的頻率低於20Hz時就叫做次聲波,高於20KHz則稱為超聲波聲波。
  超聲波具有如下特性:
  1) 超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質中有效傳播。
  2) 超聲波可傳遞很強的能量。
  3) 超聲波會產生反射、幹涉、疊加和共振現象。
  4) 超聲波在液體介質中傳播時,可在界麵上產生強烈的衝擊和空化現象。
  超聲波是聲波大家族中的一員。
  聲波是物體機械振動狀態(或能量)的傳播形式。所謂振動是指物質的質點在其平衡位置附近進行的往返運動。譬如,鼓麵經敲擊後,它就上下振動,這種振動狀態通過空氣媒質向四麵八方傳播,這便是聲波。
  超聲波是指振動頻率大於20KHz以上的,人在自然環境下無法聽到和感受到的聲波。
  超聲波治療的概念:
  超聲治療學是超聲醫學的重要組成部分。超聲治療時將超聲波能量作用於人體病變部位,以達到治療疾患和促進機體康複的目的。
  在全球,超聲波廣泛運用於診斷學、治療學、工程學、生物學等領域。賽福瑞家用超聲治療機屬於超聲波治療學的運用範疇。
  (一)工程學方麵的應用:水下定位與通訊、地下資源勘查等。
  (二)生物學方麵的應用:剪切大分子、生物工程及處理種子等。
  (三)診斷學方麵的應用:A型、B型、M型、D型、雙功及彩超等。
  (四)治療學方麵的應用:理療、治癌、外科、體外碎石、牙科等。
6 主要特點 編輯本段
  (一)超聲波在傳播時,方向性強,能量易於集中。
  (二)超聲波能在各種不同媒質中傳播,且可傳播足夠遠的距離。
  (三)超聲波與傳聲媒質的相互作用適中,易於攜帶有關傳聲媒質狀態的信息診斷或對傳聲媒質產生效。治療。
  超聲波是一種波動形式,它可以作為探測與負載信息的載體或媒介如B超等用作診斷;超聲波同時又是一種能量形式,當其強度超過一定值時,它就可以通過與傳播超聲波的媒質的相互作用,去影響,改變以致破壞後者的狀態,性質及結構用作治療。
7 發展簡史
7.1 一、國際方麵
  自19世紀末到20世紀初,在物理學上發現了壓電效應與反壓電效應之後,人們解決了利用電子學技術產生超聲波的辦法,從此迅速揭開了發展與推廣超聲技術的曆史篇章。
  1922年,德國出現了首例超聲波治療的發明專利;
  1939年發表了有關超聲波治療取得臨床效果的文獻報道。
  40年代末期超聲治療在歐美興起,直到1949年召開的第一次國際醫學超聲波學術會議上,才有了超聲治療方麵的論文交流,為超聲治療學的發展奠定了基礎。1956年第二屆國際超聲醫學學術會議上已有許多論文發表,超聲治療進入了實用成熟階段。
7.2 二、國內方麵
  國內在超聲治療領域起步稍晚,於20世紀50年代初才隻有少數醫院開展超聲治療工作,從1950年首先在北京開始用800KHz頻率的超聲治療機治療多種疾病,至50年代開始逐步推廣,並有了國產儀器。公開的文獻報道始見於1957年。到了70年代有了各型國產超聲治療儀,超聲療法普及到全國各大型醫院。
  40多年來,全國各大醫院已積累了相當數量的資料和比較豐富的臨床經驗。特別是20世紀80年代初出現的超聲體外機械波碎石術和超聲外科,是結石症治療史上的重大突破。如今已在國際範圍內推廣應用。高強度聚焦超聲無創外科,已使超聲治療在當代醫療技術中占據重要位置。而在21世紀(HIFU)超聲聚焦外科已被譽為是21世紀治療腫瘤的最新技術。
  超聲波治病機理:
  1.機械效應:超聲在介質中前進時所產生的效應。(超聲在介質中傳播是由反射而產生的機械效應)它可引起機體若幹反應。超聲振動可引起組織細胞內物質運動,由於超聲的細微按摩,使細胞漿流動、細胞震蕩、旋轉、摩擦、從而產生細胞按摩的作用,也稱為“內按摩”這是超聲波治療所獨有的特性,可以改變細胞膜的通透性,刺激細胞半透膜的彌散過程,促進新陳代謝、加速血液和淋巴循環、改善細胞缺血缺氧狀態,改善組織營養、改變蛋白合成率、提高再生機能等。使細胞內部結構發生變化,導致細胞的功能變化,使堅硬的結締組織延伸,鬆軟。
  超聲波的機械作用可軟化組織,增強滲透,提高代謝,促進血液循環,刺激神經係統和細胞功能,因此具有超聲波獨特的治療意義。
  2.溫熱效應:人體組織對超聲能量有比較大的吸收本領,因此當超聲波在人體組織中傳播過程中,其能量不斷地被組織吸收而變成熱量,其結果是組織的自己身體的溫度升高。
  產熱過程既是機械能在介質中轉變成熱能的能量轉換過程。即內生熱。超聲溫熱效應可增加血液循環,加速代謝,改善局部組織營養,增強酶活力。一般情況下,超聲波的熱作用以骨和結締組織為顯著,脂肪與血液為最少。
  3.理化效應:超聲的機械效應和溫熱效應均可促發若幹物理化學變化。實踐證明一些理化效應往往是上述效應的繼發效應。TS-C型治療機通過理化效應繼發出下列五大作用:
  A.彌散作用:超聲波可以提高生物膜的通透性,超聲波作用後,細胞膜對鉀,鈣離子的通透性發生較強的改變。從而增強生物膜彌散過程,促進物質交換,加速代謝,改善組織營養。
  B.觸變作用:超聲作用下,可使凝膠轉化為溶膠狀態。對肌肉,肌腱的軟化作用,以及對一些與組織缺水有關的病理改變。如類風濕性關節炎病變和關節、肌腱、韌帶的退行性病變的治療。
  C.空化作用:空化形成,或保持穩定的單向振動,或繼發膨脹以致崩潰,細胞功能改變,細胞內鈣水平增高。成纖維細胞受激活,蛋白合成增加,血管通透性增加,血管形成加速,膠原張力增加。
  D.聚合作用與解聚作用:水分子聚合是將多個相同或相似的分子合成一個較大的分子過程。大分子解聚,是將大分子的化學物變成小分子的過程。可使關節內增加水解酶和原酶活性增加。
  E.消炎,修複細胞和分子:超聲作用下,可使組織PH值向堿性方麵發展。緩解炎症所伴有的局部酸中毒。超聲可影響血流量,產生致炎症作用,抑製並起到抗炎作用。使白細胞移動,促進血管生成。膠原合成及成熟。促進或抑製損傷的修複和愈合過程。從而達到對受損細胞組織進行清理、激活、修複的過程。
  量子聲學。
  超聲波還可以進行雷達探測.清洗較為精細的物品,如鍾表,可以利用超聲波來擊碎病人體內膽結石,還可以利用超聲波測距.
  超聲波檢測還用於電阻焊的焊點強度的檢測。
  人耳可以聽見的波動,其頻率約在20Hz到20KHz之間,如果“波動”的頻率高於此範圍,則人類則無法聽見,特稱之為超音波。所謂“波動”即為物質中的粒子受外力作用時所產生的機械性振湯,例如將懸掛於彈簧下方的物體向下拉使彈簧伸長,然後將物體放開,則該物體受彈簧力的作用,產生一上下往複性的振動,其偏離靜止位置的移動與時間的關係,即為正弦波。
  超聲波依其波傳送方向的波動方式可分為縱波,橫波,表麵波,藍姆波四種。其在料件中之傳送,根據能量不滅定律,音波在一種物質中傳送,或由一種物質傳入另一種物質時,由於受到衰減,反射及折射的作用,其能量必然愈來愈弱;但是在材料密度較大的部分,音壓卻會增大〈但因音阻抗亦變大,能量仍是減少〉,反之在疏鬆的部分,其音量變大。

 



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