超聲波測厚儀在壓力容器厚度檢測的應用（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，當射線透過一種物質(zhì)進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，強度會漸進減弱，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。
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)部門中有廣泛的應用，主要之點 還在于比聲波具有強大得多的功率。為什么有強大的功率呢?因為當聲波到達某一物資中時，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、例如當水中通過一般強度的超聲波時，產(chǎn)生的附加壓力可以達到好幾個大氣壓力。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?？涨婚]合的時候會 產(chǎn)生很大的瞬時壓力，一般可以達到幾千甚至幾萬個大氣壓力。液體在這種強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。這在諸如探傷和水下聲通訊等應用場合是主要的考慮因素。
2. 頻率高時，相應地波長將變短，因而波長可與傳播超聲波的試樣材料的尺寸相比擬，甚至波長可遠小于試樣材料
   的尺寸．這在厚度尺寸很小的測量應用中以及在高分辨率的探傷應用中是非常重要的。
3. 超聲波用起來很安靜，人們聽不到它。這一點在高強度工作場合尤為重要。這些高強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式或升降式超聲清洗生產(chǎn)線相繼面市；其二是，低頻超聲波清洗機向高頻超聲波清洗機的發(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備總量已呈明顯上升之勢，高達總量的50％，而多工位半自動、全自動傳動鏈式或升降式超聲波清洗線體設備也已上升到總量的40％以上。
     我國超聲波清洗技術的應用已經(jīng)取得了較好的成效。一是機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、望遠鏡、瞄準具等光學系統(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)濟發(fā)達地區(qū)對超聲波清洗技術的應用不但在先，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，當代產(chǎn)品與20世紀70—80年代的產(chǎn)品相比，技術進步也十分明顯。
    近年來，由于對汽車制動器生產(chǎn)線、冰箱壓縮機生產(chǎn)線的傳統(tǒng)清洗工藝實行技術改造，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用報告稱：超聲波清洗能除去反應罐或化學處理桶殼表面的污物，比用普通方法節(jié)約能源，費用低且減少環(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，總共要進行5次清洗才能達到要求，而且超聲波清洗只需要一次處理即能達到要求，既節(jié)省溶劑，提高效率，又減少環(huán)境污染。
    隨著超聲波清洗設備的應用范圍越來越廣泛，各種經(jīng)過不斷完善和改進的新穎超聲波清洗設備正在取代已面市的老式設備。
    兆赫超聲波清洗技術是指采用頻率700KHz—2MHz的超聲波進行清洗。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備。美國Verteq、Imtec、ProSys公司已開發(fā)出這類設備用于半導體生產(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準設備。
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
    當強力的超聲波輻射到液體中，清洗液以靜壓(一個標準氣壓)為中心進行變化，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，形成清洗機理。試驗中這種強力的清洗作用，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)進行機械另部件的清洗，清洗機的超聲波強度大多設定在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時將達到105倍，由這個強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，不適應去油污的清洗，只能在電子工業(yè)的半導體制造中，對亞微米粒子的污染進行清洗。
    (3)物理化學反應的促進作用
    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，促使化學或物理作用的相乘，液體不斷地乳化分散，進一步促進化學反應的速率。
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合結果，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，目前常用的是能進行強力清洗的連續(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，對污染嚴重物體的清洗不太適應。

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 可強力清洗。由駐波作用使清洗不均，應增加搖動，達到清洗均勻性。 
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，不易得到強力的超聲波。 
多頻率交替 每一種頻率發(fā)生復數(shù)個頻率 清洗均衡，不易得到強力清洗。 
圓錐形輻射清洗 用不銹鋼制成的共振體進行超聲波輻射。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倍的強度，性能高。 但清洗面小，噪