近代聲學(xué)特點及主要研究內(nèi)容-賀西平

1、主講教師：賀西平陜西師范大學(xué)物理與信息技術(shù)學(xué)院專題十五 近代聲學(xué)的主要應(yīng)用技術(shù)（知識點三）知識點三：近代聲學(xué)的主要應(yīng)用技術(shù) 1. 超聲在工業(yè)上的應(yīng)用1.2 超聲檢測和無損評價1.1 大功率超聲的工業(yè)應(yīng)用2. 光聲學(xué)與激光超聲3. 聲電子技術(shù)4. 生物醫(yī)學(xué)超聲5. 語言信息處理6. 水聲信號處理技術(shù)7. 環(huán)境聲學(xué)8. 電聲系統(tǒng)及其應(yīng)用1. 超聲在工業(yè)上的應(yīng)用 1.1大功率超聲的工業(yè)應(yīng)用聲化學(xué)和聲空化利用大功率超聲波在液體中產(chǎn)生的空化效應(yīng)，可改變物質(zhì)的性質(zhì)和狀態(tài)空化：液體中的微小氣泡核（微米級以下的小氣泡）在超聲波作用下產(chǎn)生振動，當(dāng)聲壓（或者說超聲波能量密度）達(dá)到一定值時，負(fù)壓時氣泡將迅速膨脹，正

2、壓時收縮，此后或進(jìn)入振動狀態(tài),或迅速閉合崩潰。氣泡閉合時將產(chǎn)生沖擊波，稱為空化。其特點是氣泡在急劇崩潰時會釋放出巨大的能量，有強(qiáng)沖擊力的微射流出現(xiàn)，伴隨產(chǎn)生有高溫高壓，形成所謂的空化效應(yīng)。常用的聲化學(xué)反應(yīng)器有l(wèi)變幅桿浸入式聲化學(xué)反應(yīng)器l 清洗槽式聲化學(xué)反應(yīng)器l 液哨式聲化學(xué)反應(yīng)器l 杯式聲化學(xué)反應(yīng)器l 平行板式反應(yīng)器l 管型反應(yīng)器變幅桿浸入式化學(xué)反應(yīng)器清洗槽式化學(xué)反應(yīng)器液哨式聲化學(xué)反應(yīng)器平行板近場聲化學(xué)反應(yīng)器管形化學(xué)反應(yīng)器例：污水處理、水消毒 n 空化可降解廢水中 有毒有機(jī)污染物， 將水體中有害有機(jī) 物轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2， H2O、無機(jī)離子或 轉(zhuǎn)變?yōu)楸仍袡C(jī)物毒性小的物質(zhì)n 簡便、高效、無二 次污染

3、等特點n 與紫外、氯化、化 學(xué)殺菌劑聯(lián)合使用， 效果更佳l利用超聲來加速化學(xué)反應(yīng)，增加反應(yīng)產(chǎn)率和引發(fā)新的 化學(xué)反應(yīng)等l聲化學(xué)技術(shù)在生產(chǎn)上可望為合成塑料、洗滌劑、制劑和化肥等化工工業(yè)方面帶來重大變革，已受到化工生產(chǎn)行業(yè)的極大關(guān)注l超聲波可實現(xiàn)乳化、脫氣以及使高分子分解和聚合，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)等 超聲波細(xì)胞粉碎機(jī) 利用強(qiáng)超聲在液體中產(chǎn)生空化效應(yīng)，對物質(zhì)進(jìn)行超聲處理，能對多種動植物細(xì)胞、病毒細(xì)胞破碎，也可用來進(jìn)行乳化、分離、勻化、提取、消泡、清洗等等。被廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)、微生物學(xué)、藥物化學(xué)、表面化學(xué)、物理學(xué)、動物學(xué)等領(lǐng)域超聲波細(xì)胞粉碎機(jī) 超聲清洗可用于幾何形狀復(fù)雜、清洗質(zhì)量要求高而用其它方法清洗效果差

4、的中小精密零件，特別是工件上的深小孔、微孔、彎孔、盲孔、溝槽、窄縫等部位的精清洗，生產(chǎn)率和凈化率都很高。 如對電子零件、電鍍、五金、鐘表、機(jī)械、表帶、工具、光學(xué)鏡片、珠寶首飾、眼鏡架、半導(dǎo)體硅片、噴絲板過濾芯及玻璃器皿等的清洗清洗機(jī)機(jī)槽及換能器清洗機(jī)機(jī)槽及換能器 超聲提取中藥材主要成份l 空化使植物細(xì)胞壁及 整個生物體破裂，利 于有效成分溶出l 超聲波振動可加速介質(zhì)質(zhì)點運(yùn)動l 振動使樣品萃取更均勻超聲提取機(jī)超聲換能器把電能轉(zhuǎn)換為一定模式的機(jī)械振動（如縱彎），后利用定子(振動著的彈性體)與轉(zhuǎn)子(或滑塊)表面間的摩擦力使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動或移動。超聲馬達(dá)，具有體積小、響應(yīng)快、制動快、精度高和抗電磁干擾等性能

5、，可用于照相機(jī)、傳真機(jī)、打印機(jī)等設(shè)備中變焦、傳送紙張等超聲馬達(dá)的3D運(yùn)動 圖 4.1.1 超 聲 行 波 馬 達(dá) 的 基 本 原 理 Z 滑 塊 移 動 方 向 質(zhì) 點 振動 軌 跡 聲 波 傳 播 方 向 X Y 直線型超聲馬達(dá) 超聲馬達(dá)l利用直徑1毫米的超聲馬達(dá)制造出來的血管機(jī)器人，在直徑為34毫米的血管里，活動得更加靈活，使血栓類疾病的治療變得更加簡單。這種小馬達(dá)也可以用在胃鏡中，制成體積更小的攝像頭。將其用在國防上，則可以生產(chǎn)出更小的微型飛機(jī)，更方便、更隱蔽地收集信息，而不必?fù)?dān)心被對方識別 l清華大學(xué)物理系聲學(xué)研究室研制出了直徑為1毫米的超聲馬達(dá) 將超聲振動能量傳遞到兩個焊體表面，在加

6、壓的情況下， 使兩焊件表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合 超聲金屬焊接超聲金屬焊接可焊接一般很難可互焊的稀有金屬，如鈦、鉬等Static ForceHorn/SonotrodeTransducerAnvilWorkpiecesVibrationPower SupplyLateral Drive SystemBoosterStatic ForceSonotrodeVibrationWorkpiecesAnvilWeld ZoneWeld zoneAsperitiesOxideMetal可焊接一般很難焊接的稀有金屬，如鈦、鉬等超聲金屬焊接優(yōu)點l固態(tài)形式焊接,不需外部加熱，焊接時間短l對工件表面清潔

7、度要求不高，環(huán)保不產(chǎn)生污染物l薄厚金屬可搭接焊，同種和不同種金屬間均可焊 l處理超聲焊接無需助焊劑、金屬填料l壓力較小，與電氣焊相比耗費能量少l焊接時間短，容易自動化超聲波金屬焊接缺點l只適用于搭接接頭，焊接厚度受限l不相熔的金屬不能焊接l有一定噪聲產(chǎn)生能量導(dǎo)引體處產(chǎn)生的應(yīng)變、熱量最大 超聲塑料焊接超聲塑料焊接優(yōu)點l 速度快，一般少于1sl 無污染l 適用于一般的熱塑性塑料l 相對低的焊接成本l 焊接后粘接強(qiáng)度高l 易自動化缺點l 不能大尺度焊接，幾何尺寸受限l 焊前需要設(shè)計焊點超聲塑料焊接焊前焊后 超聲波在脆硬材料（如玻璃、陶瓷、石英、硅、瑪瑙、寶石、金剛石等）上可加工圓孔、型孔、型腔、套料

8、、微細(xì)孔等.需要工作液 、磨料 、 循環(huán)系統(tǒng)超聲打孔、雕刻 超聲雕刻、打孔、拋光等加工處理l 霧滴大小(1-5微米)與超聲頻率及聲強(qiáng)有關(guān)l 800kHz3MHzl 霧化也可用于制備金屬粉末 超聲波使液體表面隆起，在隆起的液面周圍發(fā)生空化，使液體直接霧化成小分子的氣霧。利用超聲霧化可使藥物分子氣霧后直接進(jìn)入毛細(xì)血管或肺泡，達(dá)到治療的目的。適用于感冒、過敏性鼻炎、鼻塞等。優(yōu)點是不需加熱或添加任何化學(xué)試劑 超聲霧化超聲霧化l 在需干燥物表面空化后形成超聲噴霧l 空化使水產(chǎn)生氧化羥基，并破壞細(xì)菌的膜結(jié)構(gòu)：枯草芽孢桿菌、大腸桿菌、李氏特菌、沙門菌、葡萄球菌、鏈球菌等等超聲干燥 超聲干燥、消毒1. 超聲在

9、工業(yè)上的應(yīng)用 1.2超聲檢測和無損評價 物體內(nèi)部的不均勻性，如氣泡、裂痕、夾雜、疏松、位錯或脫粘等缺陷，會引起超聲波強(qiáng)度不同的反射信號 多普勒效應(yīng)可測流體的流速、流量；回波可測厚度、液位；聲速的變化可測粘度、應(yīng)力、溫度等 超聲無損評價(或超聲檢測)與電磁波、X光及粒子探測技術(shù)并列為探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的四大技術(shù)聲波在材料中的傳播時，其聲速隨應(yīng)力和溫度而變化；聲波在不同物體內(nèi)的衰減程度不一樣。利用這些屬性可對物質(zhì)進(jìn)行評價，如對金屬材料的多晶顆粒、殘余應(yīng)力大小進(jìn)行評價，可獲得安全使用金屬材料的信息 適用于金屬和部分非金屬材料的無損檢測，尤其適用于流動性大的野外或高空作業(yè)探傷，可作為無損檢測人員資格考核用標(biāo)

10、準(zhǔn)化儀器 目前通常采用的脈沖反射法.超探儀是一種便攜式工業(yè)無損探傷儀器，它能夠快速便捷、無損傷、精確地進(jìn)行工件內(nèi)部多種缺陷（裂紋、夾雜、折疊、氣孔、砂眼等）的檢測、定位、評估和診斷超聲探傷儀 超聲探傷A型超聲探傷反射波形型超聲探傷反射波形裂紋裂紋監(jiān)測設(shè)備構(gòu)件內(nèi)部及表面缺陷。探頭向試件發(fā)射縱波(垂直探傷)或橫波(斜向探傷)，并接收從缺陷處傳回的反射波 穿透法 兩個探頭分別置于被測試件相對的兩個側(cè)面。穿透法又叫透射法，根據(jù)超聲波穿透工件后的能量變化來判斷工件內(nèi)部有無缺陷。根據(jù)接收到超聲波能量的大小判斷缺陷位置及大小 脈沖反射法收發(fā)探頭發(fā)射超聲脈沖到被測工件，遇到缺陷時產(chǎn)生反射，由反射信號大小及在顯

11、示器上的位置判斷缺陷大小及深度 A型超聲波探傷(反射法） 起始波 缺陷反射波 底波工件缺陷 利用超聲波穿過流動的流體時，沿著順流方向和逆流方向的傳播速度不同，而產(chǎn)生時間差的原理，設(shè)計制造出來的。廣泛的應(yīng)用于管網(wǎng)給排水、電廠鍋爐給水、食品加工清洗用水、紙廠用水、地?zé)崛∷⒌叵氯∷约盎S腐蝕性高粘度的化學(xué)液體的計量 F1發(fā)射的超聲波先到達(dá) T1超聲波流量計 智能超聲波流量計 測得在一定時間間隔內(nèi)相對于移動物體的兩次超聲回波的時間，可知這兩次超聲波傳播的距離差，路程除以時間間隔就是移動物體的速度超聲波測量車速 超聲多普勒測量車速 激光超聲的產(chǎn)生：當(dāng)強(qiáng)度調(diào)制的低功率密度的激光束照射于物質(zhì)(包括氣體

12、、液體和固體)時，物質(zhì)吸收光能導(dǎo)致局部溫升，激發(fā)出縱波、橫波和表面波；或者高功率密度的激光照射導(dǎo)致材料熔化、氣化，將有一小部分表面物質(zhì)被噴射出來，從而給材料表面施加了一個非常高的反作用力導(dǎo)致聲波產(chǎn)生傳感器和光學(xué)法接收產(chǎn)生的超聲實現(xiàn)檢測：有缺陷的樣品與無缺陷的樣品波形變化非常明顯，因缺陷的存在改變了激光激勵超聲的邊界條件。若能與紅外照相(熱像)技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展為熱脈沖回波成像技術(shù)將更好。適合于對航空、航天飛機(jī)、輸氣、輸油管道等大型機(jī)件的非接觸式大面積的無損檢測2. 激光超聲 聲表面波器件可對信號完成傳遞、延遲、濾波、展寬、壓縮、移頻、調(diào)制、解調(diào)、開關(guān)、放大、編碼、解碼、卷積相關(guān)、倒譜分析、富氏變

13、換及其他數(shù)學(xué)變換等信號處理功能 聲表面波器件廣泛應(yīng)用于通訊、雷達(dá)、電子對抗、電視廣播、光電子學(xué)以及傳感控制等領(lǐng)城。目前主要是幾十兆赫至幾百兆赫頻段3. 聲電子技術(shù) 超聲與X光、核磁共振成為醫(yī)學(xué)三大診斷手段 超聲診斷在醫(yī)院中已普遍推廣，許多疾病都可由超聲診斷儀(如A型掃描儀，B型超聲斷面顯像儀，多普勒血流圖等等)早期發(fā)現(xiàn) 超聲治療：利用超聲的熱效應(yīng)、振動效應(yīng)以及由強(qiáng)振動引起的空化效應(yīng)超聲外科手術(shù)：超聲手術(shù)刀代替通常的手術(shù)刀，切除人體病變組織4. 生物醫(yī)學(xué)超聲 B超診斷儀 掃描聲成像是通過掃描從不同位置“照明”物體和接收含有物體信息的聲信號，經(jīng)過相應(yīng)的適當(dāng)處理，獲得與聲束方向一致的物體的切面回聲圖

14、，并在熒光屏上顯示可見圖像B超診斷儀 超聲治療原理 可調(diào)控的超聲能量穿透至病變部位并聚積，由表及里，從里到外的治療，精確定位，表皮無損傷 病變組織細(xì)胞在超聲波的熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)作用下發(fā)生可逆改變、恢復(fù)功能 不可逆改變的組織細(xì)胞凝固壞死超聲治療儀 超聲手術(shù)刀：出血少、對周圍組織傷害小、術(shù)后恢復(fù)快，主要有超聲切骨、白內(nèi)障乳化、吸脂等l應(yīng)用超聲波的“切割效應(yīng)”及“空化效應(yīng)”將白內(nèi)障晶體破碎乳化后吸出眼外，植入人工晶體，以恢復(fù)視力。超聲乳化術(shù)是目前世界上最先進(jìn)的白內(nèi)障手術(shù) 超聲乳化去除白內(nèi)障A.語言識別: 旅行信息查詢、飛機(jī)訂票、城市查勘以及辦公室管理等特殊應(yīng)用場合的語言識別和語言理解系統(tǒng)都

15、取得了較好的效果B.語言合成: 語音合成是通過機(jī)械的、電子的方法產(chǎn)生人造語音的技術(shù)。例如，可為殘疾人提供朗讀或助講等等 5. 語言信息處理 聲波是唯一能在海水中有效地進(jìn)行遠(yuǎn)距離信息傳遞的載體 所有的水下探測、通訊、導(dǎo)航、遙控等活動都離不開聲學(xué)6. 水聲信號處理技術(shù)主動聲納 典型的主動聲吶陣列被動聲納 潛艇噪聲測量用陣列 聲信號的處理和分析經(jīng)常借鑒其他學(xué)科中的方法和技術(shù)，是較早應(yīng)用數(shù)字技術(shù)的學(xué)科，如FFT(快速傅里葉變換),短時傅里葉變換及時頻分析、數(shù)字濾波技術(shù)、小波變換、陣列信號處理等. 被動拖曳陣列聲吶 環(huán)境科學(xué)是當(dāng)前研究的前沿?zé)狳c之一，其中環(huán)境聲學(xué)由于人類生存條件的變化，引起了很大的重視

16、為了改善廳堂內(nèi)音質(zhì)及隔絕室外噪聲，對吸聲材料和隔聲材料進(jìn)行了理論和實驗研究 噪聲控制，一般采取隔絕的方式，近年來則發(fā)展有源消噪和減振的方式，即人為地有目的地產(chǎn)生次級聲振動信號去抵消原有噪聲，從而達(dá)到消噪和除噪的目的。 如耳鳴干擾器、掩蔽聲等7. 環(huán)境聲學(xué) 小孔消聲器是控制空氣動力性噪聲往外傳播的有效設(shè)備，在內(nèi)部作聲學(xué)處理后，可以大大降低噪音的產(chǎn)生和傳播，且不影響氣流通過。安裝消聲器后，設(shè)備消聲量可達(dá)到20-40dB(A)，主觀感覺響度相應(yīng)降低50-90%的效果小孔消聲器 槍的聲音主要來自子彈出堂，空氣沖出槍口是巨大的壓力 對外面的空氣引起的沖擊震動消音器 傳聲器(話筒)和揚(yáng)聲器(喇叭)，除音質(zhì)好之外，對外形(如小型化)等也有特殊要求。例如，要求揚(yáng)聲器(喇叭)同時承受功率大、動態(tài)范圍