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超声波在各个领域的应用
作者:ebaitiancms 来源:http://www.jeryl.cn/ 时间:2011-12-25 15:55:17 点击:9919次

  超音波(Ultrasonic)是近年来曝光率相当高的名词,目前市面上可见的超音波科技产品包罗万象,举家电产业(例如洗衣机、冷气机、眼镜清洗机)、金属制品(金属熔接)、电子业(IC制造)与生物、医疗领域(超音波检验、超音波碎石)都能见到这项技术的应用,且其研究领域内涵却仍然不断地在创新与发展中。超音波是一种人类耳朵无法听到的频率的音波。所谓的「音波」可以解释为人的耳朵可以感受到的物理震动(同理「可见光」则可以解释为人的眼睛可以感受到的电磁震动) ,这种震动经由介质,也就是空气,传递到人的耳朵,震动人的耳膜,引发听觉。这段过程当然无处不在,可是人的听力却只能接收每秒两万次以下的震动。频率高于此数的震动,不论其能量有多大,人类一盖充耳不闻,所以我们称此类震动为超音波。超音波有以下几项重要的特色:

  1.超音波震动纯粹为物理震动,且频率高于人耳可以辨知的范围,所以不会危害人体或影响生活,其震动频率又不会太高,所以可以引发其它金属材料与其共振,藉此过程进一步将声波震动转化为机械动能提供输出,若对水这样的液体引入超音波震动,则由于液体的黏滞效应,这种高频振动会在水中产生许多小真空泡(直径大约是几万分之一公分),而这些真空泡碎裂时,可以在局部产生相当于1000大气压的压力。有了这种超强的振动力,还有什么污垢不能被振掉。别说是洗衣服了,现在连IC晶圆的清洁,都大力仰赖超音波。 塑胶熔接论坛
  2.由于其波动的特性,所以可以利用大家熟悉的波动力学加以分析。因此只要配合二维或三维的波动方程式分析技巧,便可以将应用于探测或量测用途上,像是雷达一般。将超音波打入水中,再借着接收其回波,来探索水中物体之所在,这又叫声纳(Sonar)。 塑胶熔接论坛
超音波应用领域包罗万象整体来说,超音波的应用范围,可以归纳为下列几项:
  3.利用超音波来进行探测:这包括超音波声纳、鱼群探勘、海底探勘、超音波流速流量计、超音波测距。
  4.利用超音波于医疗设备:包括超音波热疗、超音波影像扫描、超音波碎石机、超音波显微镜。
  5.利用超音波于讯号感测上:包括超音波压力感测、超音波膜厚感测、超音波加速度感测、超波震动感测。
  6.利用超音波于工业加工:包括超音波金属焊接、超音波塑料焊接、超音洗净机、超音波雾化器、超音波加湿器。
  7.利用超音波于动力驱动:如超音波马达,这种马达可能可以做得和铅笔一般粗细,但是却有和一般电风扇一样大小的输出马力。 塑胶熔接论坛

  超音波检测广泛域运用于医疗领域

  由于超音波在碰到物体的时候,会产生反射、折射与折射的特性,其原理类似于雷达。所以运用超音波技术的仪器主要的原理即为将用探头将超音波发射于物体或人体内,并接受、传输其反射或折射的音波(声音的波型、功率与声场分布),并产生相对应的医学影像 (人体内部组织图片),由于人体的不同组织间,传回的声波也不同,故能造成不同的剖面,超音波就是利用这种原理将声波转换为可供给检测的影像,而医师就可透过对这些图像的诊断与观察,来了解受检测部位的状况,并进行治疗。由于超音波最大的优点是检测安全、可靠,精确度高,其震动频率与能量都很低,对人体或器官组织不会产生伤害,即是受测者是孕妇与胎儿,亦相当安全,所以超音波在医疗领域的应用上最为广泛。成为与X光并驾齐驱的检测与诊断技术。近年来工研院与国科会大力投入超音波的研究,其中最受瞩目的应用为: 塑胶熔接论坛

  1.3D超音波定位系统及3D影像描绘系统技术
  2.高频超音波测量人体组织之特性研究
  3.高频超音波临床特性分析研究
  4.生医微小化传感器
  5.诊断用超音波线性数组换能器之制程
  6.具有机械式保护开关之手握型超音波治疗头  塑胶熔接论坛
  7.环型涡流流量计之压电式传感器
  8.改良之超音波雾化装置
  9.复合式超音波治疗换能器及其制作方法。

  超音波洗净技术可完成高难度的清洁工作

  除了医疗方面的应用外,超音波也广泛的应用在工业与民生用途中,而最为人所熟知的即为超音波洗净技术。超音波洗净技术的原理,是将洗净液先放入洗净槽中,再利用超音波高速震荡(每秒甚至可达4万5千次)、疏密有秩的特性,推动介质作用,使液体之分子间产生压力的交替变化,在负压的区域,液体会产生撕裂的力量,形成真空的气泡;但是当声压累积到一定程度时,气泡会持续扩张,并在正压的区域受到挤压与闭合,这种现象成为空穴效应(cavitation)。当洗净液中无数的细小的真空气泡,在震荡过程中受压破裂时,会因为加速度而产生强大的冲击力(局部压力甚至可达数千个大气压),即可将愈清洗物品的表面与细缝死角粘附的脏污剥离,达到彻底洗净的效果。由于超音波洗净技术洗净速度快,清洁效果好、有杀菌效果,更不会接触或损伤物体表面,相较于其它物理清洗或化学清洗方法,有无可比拟的优越性。所以构造精密或脆弱易碎的物品,像是钟表、珠宝首饰、镜片、光学仪器、摄影器材、电子组件、精致金属、医药用品等,就特别需要利用超音洗净技术来进行精细、高难度的清洁工作。 塑胶熔接论坛

  超音波的产生原理 - 压电效应

  超音波已经是一种成熟的技术,那么要如何产生超音波呢?传统上有包括利用高压空气、利用放电火花等许多方法,可是现在主要是应用「压电效应」 (Piezoelectirc effect),来产生超音波。压电效应为一种机电能量互换的现象,是以机械应力及应变作用而使物体产生电荷或电压输出,由于压电效应的使用,让超音波除了能应用于医疗与民生用途之外,在工业用途上也迈入了新的领域,造就了超音波马达这种新兴产品。 塑胶熔接论坛

  压电效应与的原理与应用

  超音波马达是利用压电材料输入电压会产生变形的特性,使其能产生超音波频率的机械振动,再透过摩擦驱动的机构设计,让超音波马达如同普通马达一般,可进行旋转运动或直线式移动。一般马达运转时会发出杂音,这是因为马达内部结构产生振动,而振动频率恰好在我们耳朵可以感受的频率范围内。超音波马达的振动频率则设计在人耳所能听到的范围之外,所以当它运转时我们感觉不到有声音,因而觉得非常安静,这是超音波马达相当重要的特色。因为超音波马达的振动频率高于我们耳朵所能感受的范围,所以像是医院、图书馆等需要保持安静的场所,就可以使用超音波马达。目前超音波马达已经应用在相机、手表、汽车、医疗设备、航天工业等精密机械的内部,另由于超音波马达体积小、重量轻、又比同尺寸的马达能够输出更大的力,且不受磁场影响,所以在航天飞机、无人探测船、人造卫星等,超音波马达也有很大的发展空间! 塑胶熔接论坛

  超音波与理工人的亲密关系

  超音波技术的应用范围广泛,且由于产生超音波的压电效应原料,已经由天然的晶体(例如石英),延伸到人工制造的材料(例如聚合物、陶瓷材料),因此,改善压电效应的材质,积极强化这部分的认知层面与技术应用,是理工人可以贡献心力的领域。此外因为应用超音波技术的机械设备,系统本身对于电压、惯性力的设计较为不同,因此在机构设计的领域中,也需要理工人的投入与贡献,让超音波应用产品得以运作顺畅。所以超音波技术实在是结合了化工材料、机电与工程力学等重要学门,且应用于医疗、民生工业与高科技领域。理工人若能藉由积极参与,随时发挥自己的想象力与创意,并寻求其它相关应用的途径,就能发展出更多的实用生活科技,届时就有机会创造出更优异的技术,让超音波实用产品更成熟,大大增加人类生活的便利性!


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