超聲波測厚儀在壓力容器厚度檢測的應(yīng)用（二）

三、什么是超聲波

超聲
ultrasonic(ultrasound)
聲音是與人類生活緊密相聯(lián)的一種自然現(xiàn)象。當(dāng)聲的頻率高到超過人耳聽覺的頻率極限(根據(jù)大量調(diào)查，取整數(shù)20000赫)時，
人們就覺察不出聲的存在，因而稱這種高頻率的聲為“超”聲。

超聲波的特點

束射特性

由于超聲波的波長短，超聲波射線可以和光線一樣，能夠反射、折射，也能聚焦，而且．遵守幾何光學(xué)上的定律。即超聲波射線從一種物質(zhì)表面反射時，入射角等于反射角，當(dāng)射線透過一種物質(zhì)進(jìn)入另一種密度不同的物質(zhì)時就會產(chǎn)生折射，也就是要
改變它的傳插方向，兩種物質(zhì)的密度差別愈大，則折射也愈大。

吸收特性

聲波在各種物質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，強(qiáng)度會漸進(jìn)減弱，這是因為物質(zhì)要吸收掉它的能量。
對于同一物質(zhì)，聲波的頻率越高，吸收越強(qiáng)。
對于一個頻率一定的聲波，在氣體中傳播時吸收*歷害，在液體中傳播時吸收比較弱，在固體中傳播時吸收*小。

超聲波的能量傳遞特性

超聲波所以往各個工業(yè)部門中有廣泛的應(yīng)用，主要之點 還在于比聲波具有強(qiáng)大得多的功率。為什么有強(qiáng)大的功率呢?因為當(dāng)聲波到達(dá)某一物資中時，由于聲波的作用使物質(zhì)中的分子也跟著振動，振動的頻率和聲波頻率—樣，分子振動的頻率決定了分子振動的速度。頻率愈高速度愈大。物資分子由于振動所獲得的能量除了與分子的質(zhì)量有關(guān)外，是由分子的振動速度的平方?jīng)Q定的,所以如果聲波的頻率愈高，也就是物質(zhì)分子愈能得到更高的能量、超聲波的頻率比聲波可以高很多，所以它可以使物資分子獲得很大的能量；換句話說，超聲波本身可以供給物質(zhì)足夠大的功率。

超聲波的聲壓特性

當(dāng)聲波通入某物體時,由于聲波振動使物質(zhì)分子產(chǎn)生壓縮和稀疏的作用，將使物質(zhì)所受的壓力產(chǎn)生變化。由于聲波振動引起附加壓力現(xiàn)象叫聲壓作用。

由于超聲波所具有的能量很大，就有可能使物質(zhì)分子產(chǎn)生顯諸的聲壓作用、例如當(dāng)水中通過一般強(qiáng)度的超聲波時，產(chǎn)生的附加壓力可以達(dá)到好幾個大氣壓力。液體中存起著如此巨大的聲壓作用，就 會引起值得注意的現(xiàn)象。當(dāng)超聲波振動使液體分子壓縮時，好象分子受到來直四面八方的壓力；當(dāng)超聲波振動使液體分子稀疏時，好象受到向外散開的拉力，對于液體，它們比較受得住附加壓力的作用，所以在受到壓縮力的時候；不大會產(chǎn)生反常情形。但是在拉力的作用下，液體就會支持不了,在拉力集中的  地方，液體就會斷裂開來，這種斷裂作用特別容易發(fā)生在液體中存在雜質(zhì)或氣泡的地方，因為這些地方液體的強(qiáng)度特別低，也就特別經(jīng)受不起幾倍于大氣壓力的拉力作用。由于發(fā)生斷裂的結(jié)果，液體中會產(chǎn)生許多氣泡狀的小空腔，這種空泡存在的時間很短，一瞬時就會閉合起來。空腔閉合的時候會 產(chǎn)生很大的瞬時壓力，一般可以達(dá)到幾千甚至幾萬個大氣壓力。液體在這種強(qiáng)大的瞬時壓力作用下，溫度會驟然增高。 斷裂作用所引起的互大瞬時壓力，可以使浮懸在液體中 的固體表面受到急劇破壞。我們常稱之為空化現(xiàn)象。

超聲波的應(yīng)用具有以下的特點：

1. 超聲波具有較好的指向性——頻率越高，指向性越強(qiáng)。這在諸如探傷和水下聲通訊等應(yīng)用場合是主要的考慮因素。
2. 頻率高時，相應(yīng)地波長將變短，因而波長可與傳播超聲波的試樣材料的尺寸相比擬，甚至波長可遠(yuǎn)小于試樣材料
   的尺寸．這在厚度尺寸很小的測量應(yīng)用中以及在高分辨率的探傷應(yīng)用中是非常重要的。
3. 超聲波用起來很安靜，人們聽不到它。這一點在高強(qiáng)度工作場合尤為重要。這些高強(qiáng)度的工作用可聞頻率的聲波
   來完成時往往更有效，然而遺憾的是，可聞聲波工作時所產(chǎn)生的噪聲令人難以忍受，有時甚至是對人體有害的。

超聲波清洗身手不凡
     近10年來，超聲波清洗設(shè)備正在朝兩個方面發(fā)展。其一是，各種類型的多缸或傳動鏈?zhǔn)交蛏凳匠暻逑瓷a(chǎn)線相繼面市；其二是，低頻超聲波清洗機(jī)向高頻超聲波清洗機(jī)的發(fā)展。在美國、日本、歐洲以及亞太市場上，多缸式超聲波清洗設(shè)備總量已呈明顯上升之勢，高達(dá)總量的50％，而多工位半自動、全自動傳動鏈?zhǔn)交蛏凳?/span>超聲波清洗線體設(shè)備也已上升到總量的40％以上。
     我國超聲波清洗技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)取得了較好的成效。一是機(jī)械零部件在電鍍前后的清洗或噴涂前的清洗，拆修零部件的清洗，要求高清洗度，如油泵油嘴偶件、軸承、制動器、燃油過濾器、閥門的清洗。二是印制電路板、硅片、晶片、元器件殼、座、鐵路系統(tǒng)用的信號控制繼電器、元器件、連接件、顯像管以及電真空器件等的清洗。三是眼鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、瞄準(zhǔn)具等光學(xué)系統(tǒng)及取樣玻璃片的清洗。四是醫(yī)用器具、食品、制藥、生化等試驗中所用各種瓶罐的清洗。五是噴絲頭、精密模具、精密橡膠件、珠寶工藝品等的清洗。
     我國現(xiàn)有各類超聲波清洗設(shè)備制造企業(yè)近40家，但其分布主要集中在東南沿海地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計資料，沿海地區(qū)的廠家占國內(nèi)總數(shù)的85％，可見經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)對超聲波清洗技術(shù)的應(yīng)用不但在先，而且廣泛，普及程度高，同時，這又證明超聲波清洗技術(shù)在中西部地區(qū)推廣普及的前景十分廣闊。就產(chǎn)品水平而言，當(dāng)代產(chǎn)品與20世紀(jì)70—80年代的產(chǎn)品相比，技術(shù)進(jìn)步也十分明顯。
    近年來，由于對汽車制動器生產(chǎn)線、冰箱壓縮機(jī)生產(chǎn)線的傳統(tǒng)清洗工藝實行技術(shù)改造，擬采用超聲波清洗工藝。在國外汽車底盤架、轎車外殼噴涂前的超聲波清洗，配合專用清洗液，將除銹、去氧化膜及磷化一次清洗處理完成，烘干后即可噴漆等都有了新的應(yīng)用和發(fā)展。
     美國Advanced Sonic Proctssing Svstems公司，推出一系列大量清洗煤或貴金屬礦物的設(shè)備，例如清洗金屬顆粒礦物質(zhì)表面的泥土、膠體類物質(zhì)，使化學(xué)劑發(fā)揮更好的作用；洗煤粉除灰去硫等，處理率為每小時十幾噸。
     美國Dvpont公司在新澤西州制藥廠的應(yīng)用報告稱：超聲波清洗能除去反應(yīng)罐或化學(xué)處理桶殼表面的污物，比用普通方法節(jié)約能源，費(fèi)用低且減少環(huán)境污染，清洗過程簡單，只要在溶器中灌滿水，加熱到65℃，并加入2％的表面活性劑，進(jìn)行處理2—4h，即可清洗干凈。
     歐洲的一些廠家曾清洗過9．1m3的罐，以前用甲醇加熱到沸點一次處理4—8h，總共要進(jìn)行5次清洗才能達(dá)到要求，而且超聲波清洗只需要一次處理即能達(dá)到要求，既節(jié)省溶劑，提高效率，又減少環(huán)境污染。
    隨著超聲波清洗設(shè)備的應(yīng)用范圍越來越廣泛，各種經(jīng)過不斷完善和改進(jìn)的新穎超聲波清洗設(shè)備正在取代已面市的老式設(shè)備。
    兆赫超聲波清洗技術(shù)是指采用頻率700KHz—2MHz的超聲波進(jìn)行清洗。清洗系統(tǒng)一般由壓電換能器陳列、清洗容器和清洗液、高頻電功率發(fā)生器及控制電路等組成，對于某些特定的清洗對象，有時還配有熱空氣烘干、專用清洗架(籃)及清洗液的過濾循環(huán)系統(tǒng)。
    兆赫超聲波清洗技術(shù)的主要特點，一是避免了高光潔度物體的表面損傷；二是可除去附著在表面的亞微米大小的顆粒；三是浸入液體中，面向換能器的一面能被洗凈，所以要進(jìn)行兩面清洗。
    目前，國外市場上已有商用的兆赫超聲波清洗設(shè)備。美國Verteq、Imtec、ProSys公司已開發(fā)出這類設(shè)備用于半導(dǎo)體生產(chǎn)線上，在對100—300mm硅片的清洗中，可除去硅片表面上小到0．15μm的微小顆粒，而且可加快漂洗過程并有效地阻止粒子在硅片表面上重新附著。兆赫超聲波清洗是國外許多大規(guī)模集成電路制造廠家生產(chǎn)過程中不可缺少的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。
超聲波的作用原理
    超聲波清洗的原理，在理論要加以闡述是比較復(fù)雜的，里面牽涉許多因素和作用，可以體現(xiàn)超聲波清洗作用的主要有以下三點。
    (1)空穴作用
    當(dāng)強(qiáng)力的超聲波輻射到液體中，清洗液以靜壓(一個標(biāo)準(zhǔn)氣壓)為中心進(jìn)行變化，在壓力到零氣壓以下時，溶解在液體中的氧會形成微小氣泡核，進(jìn)而產(chǎn)生無數(shù)近似真空的微小空洞(空穴)。超聲波的正壓力時的微小空洞，在絕熱壓縮狀態(tài)被擠碎，這個發(fā)生在擠碎瞬間的強(qiáng)力沖擊波，可直接破壞污染物并使之分散在液中，形成清洗機(jī)理。試驗中這種強(qiáng)力的清洗作用，能在數(shù)十秒內(nèi)對鋁箔侵蝕成無數(shù)的小孔。
    利用空穴作用的清洗，對去油污的效果比較好，通常在28KHZ~50KHZ的頻率內(nèi)進(jìn)行機(jī)械另部件的清洗，清洗機(jī)的超聲波強(qiáng)度大多設(shè)定在0．5~1w／cm2。
    (2)加速度
    清洗液體經(jīng)超聲波輻射，液體分子發(fā)生振動，這種振動加速度在28KHZ時是重力加速度的103倍，在950KHZ時將達(dá)到105倍，由這個強(qiáng)力加速度可以對受污物的表面實行剝離清洗。然而，950KHZ的超聲波不產(chǎn)生空穴，不適應(yīng)去油污的清洗，只能在電子工業(yè)的半導(dǎo)體制造中，對亞微米粒子的污染進(jìn)行清洗。
    (3)物理化學(xué)反應(yīng)的促進(jìn)作用
    由空穴作用使液體局部發(fā)生高溫高壓(1000氣壓，5500℃)，再經(jīng)振動產(chǎn)生的攪拌，促使化學(xué)或物理作用的相乘，液體不斷地乳化分散，進(jìn)一步促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的速率。
清洗液深度的確定
    液體中的超聲波會因行波、回波的相互干擾及強(qiáng)合結(jié)果，將形成“駐波”現(xiàn)象，(見圖1)。確定產(chǎn)生駐波的液體深度，能得到*好的超聲波輻射效果。產(chǎn)生駐波的液體深度，可用下面公式計算。
    液深(λ/2)＝聲速/頻率÷2
    這個液體深度的正倍數(shù)數(shù)值，也是*適合的深度，例在20℃水溫，28K1c時液深為27mm、54mm、81mm等等，38KHZ時液深為21mm、42mm、63mm等，但是，不同的液體、液溫及超聲振蕩器，其駐波發(fā)生情況是不同的。參見表1。

表 1 駐波的產(chǎn)生情況比較

清洗液 聲 速 λ/2  
水 20℃ 1483mm  27mm 
氟里昂 20℃ 717mm 13mm  
IPA 20℃ 1168mm 21mm 
酸堿清洗劑 20℃ 1483mm 27mm 

超聲波產(chǎn)生方式和清洗條件的設(shè)定
    超聲波的產(chǎn)生方式由表2表示，可按不同的清洗目的加以選擇，目前常用的是能進(jìn)行強(qiáng)力清洗的連續(xù)振蕩方式。頻率調(diào)制和多頻率的方式，清洗時清洗不均現(xiàn)象較多，對污染嚴(yán)重物體的清洗不太適應(yīng)。

表 2 超聲波的產(chǎn)生方式

方  式 內(nèi)  容 特  征 
連續(xù)振蕩 振幅及頻率是固定的 可強(qiáng)力清洗。由駐波作用使清洗不均，應(yīng)增加搖動，達(dá)到清洗均勻性。 
加寬調(diào)制 振幅變化 有良好的脫氣效果，對不同物體清洗性好，噪聲大。 
頻率調(diào)制（FM振蕩） 振蕩頻率實行數(shù)千赫的變化 能均勻地清洗。清洗效率差，平均輸出功率低。 
同時多頻率 多種頻率同時發(fā)生 形成均衡的聲場，清洗均勻，不易得到強(qiáng)力的超聲波。 
多頻率交替 每一種頻率發(fā)生復(fù)數(shù)個頻率 清洗均衡，不易得到強(qiáng)力清洗。 
圓錐形輻射清洗 用不銹鋼制成的共振體進(jìn)行超聲波輻射。一般在清洗不充分場合使用 可獲得常規(guī)超聲波10倍或20倍的強(qiáng)度，性能高。 但清洗面小，噪