超声波测厚仪在压力容器厚度检测的应用（二）

超声波测厚仪在压力容器厚度检测的应用（二）

三、什么是超声波

超声
ultrasonic(ultrasound)
声音是与人类生活紧密相联的一种自然现象。当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限(根据大量调查，取整数20000赫)时，
人们就觉察不出声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。

超声波的特点

束射特性

由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且．遵守几何光学上的定律。即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射，也就是要
改变它的传插方向，两种物质的密度差别愈大，则折射也愈大。

吸收特性

声波在各种物质中传播时，随着传播距离的增加，强度会渐进减弱，这是因为物质要吸收掉它的能量。
对于同一物质，声波的频率越高，吸收越强。
对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收*历害，在液体中传播时吸收比较弱，在固体中传播时吸收*小。

超声波的能量传递特性

超声波所以往各个工业部门中有广泛的应用，主要之点 还在于比声波具有强大得多的功率。为什么有强大的功率呢?因为当声波到达某一物资中时，由于声波的作用使物质中的分子也跟着振动，振动的频率和声波频率—样，分子振动的频率决定了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。物资分子由于振动所获得的能量除了与分子的质量有关外，是由分子的振动速度的平方决定的,所以如果声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量、超声波的频率比声波可以高很多，所以它可以使物资分子获得很大的能量；换句话说，超声波本身可以供给物质足够大的功率。

超声波的声压特性

当声波通入某物体时,由于声波振动使物质分子产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。

由于超声波所具有的能量很大，就有可能使物质分子产生显诸的声压作用、例如当水中通过一般强度的超声波时，产生的附加压力可以达到好几个大气压力。液体中存起着如此巨大的声压作用，就 会引起值得注意的现象。当超声波振动使液体分子压缩时，好象分子受到来直四面八方的压力；当超声波振动使液体分子稀疏时，好象受到向外散开的拉力，对于液体，它们比较受得住附加压力的作用，所以在受到压缩力的时候；不大会产生反常情形。但是在拉力的作用下，液体就会支持不了,在拉力集中的  地方，液体就会断裂开来，这种断裂作用特别容易发生在液体中存在杂质或气泡的地方，因为这些地方液体的强度特别低，也就特别经受不起几倍于大气压力的拉力作用。由于发生断裂的结果，液体中会产生许多气泡状的小空腔，这种空泡存在的时间很短，一瞬时就会闭合起来。空腔闭合的时候会 产生很大的瞬时压力，一般可以达到几千甚至几万个大气压力。液体在这种强大的瞬时压力作用下，温度会骤然增高。 断裂作用所引起的互大瞬时压力，可以使浮悬在液体中 的固体表面受到急剧破坏。我们常称之为空化现象。

超声波的应用具有以下的特点：

1. 超声波具有较好的指向性——频率越高，指向性越强。这在诸如探伤和水下声通讯等应用场合是主要的考虑因素。
2. 频率高时，相应地波长将变短，因而波长可与传播超声波的试样材料的尺寸相比拟，甚至波长可远小于试样材料
   的尺寸．这在厚度尺寸很小的测量应用中以及在高分辨率的探伤应用中是非常重要的。
3. 超声波用起来很安静，人们听不到它。这一点在高强度工作场合尤为重要。这些高强度的工作用可闻频率的声波
   来完成时往往更有效，然而遗憾的是，可闻声波工作时所产生的噪声令人难以忍受，有时甚至是对人体有害的。

超声波清洗身手不凡
     近10年来，超声波清洗设备正在朝两个方面发展。其一是，各种类型的多缸或传动链式或升降式超声清洗生产线相继面市；其二是，低频超声波清洗机向高频超声波清洗机的发展。在美国、日本、欧洲以及亚太市场上，多缸式超声波清洗设备总量已呈明显上升之势，高达总量的50％，而多工位半自动、全自动传动链式或升降式超声波清洗线体设备也已上升到总量的40％以上。
     我国超声波清洗技术的应用已经取得了较好的成效。一是机械零部件在电镀前后的清洗或喷涂前的清洗，拆修零部件的清洗，要求高清洗度，如油泵油嘴偶件、轴承、制动器、燃油过滤器、阀门的清洗。二是印制电路板、硅片、晶片、元器件壳、座、铁路系统用的信号控制继电器、元器件、连接件、显像管以及电真空器件等的清洗。三是眼镜、显微镜、望远镜、瞄准具等光学系统及取样玻璃片的清洗。四是医用器具、食品、制药、生化等试验中所用各种瓶罐的清洗。五是喷丝头、精密模具、精密橡胶件、珠宝工艺品等的清洗。
     我国现有各类超声波清洗设备制造企业近40家，但其分布主要集中在东南沿海地区。据统计资料，沿海地区的厂家占国内总数的85％，可见经济发达地区对超声波清洗技术的应用不但在先，而且广泛，普及程度高，同时，这又证明超声波清洗技术在中西部地区推广普及的前景十分广阔。就产品水平而言，当代产品与20世纪70—80年代的产品相比，技术进步也十分明显。
    近年来，由于对汽车制动器生产线、冰箱压缩机生产线的传统清洗工艺实行技术改造，拟采用超声波清洗工艺。在国外汽车底盘架、轿车外壳喷涂前的超声波清洗，配合专用清洗液，将除锈、去氧化膜及磷化一次清洗处理完成，烘干后即可喷漆等都有了新的应用和发展。
     美国Advanced Sonic Proctssing Svstems公司，推出一系列大量清洗煤或贵金属矿物的设备，例如清洗金属颗粒矿物质表面的泥土、胶体类物质，使化学剂发挥更好的作用；洗煤粉除灰去硫等，处理率为每小时十几吨。
     美国Dvpont公司在新泽西州制药厂的应用报告称：超声波清洗能除去反应罐或化学处理桶壳表面的污物，比用普通方法节约能源，费用低且减少环境污染，清洗过程简单，只要在溶器中灌满水，加热到65℃，并加入2％的表面活性剂，进行处理2—4h，即可清洗干净。
     欧洲的一些厂家曾清洗过9．1m3的罐，以前用甲醇加热到沸点一次处理4—8h，总共要进行5次清洗才能达到要求，而且超声波清洗只需要一次处理即能达到要求，既节省溶剂，提高效率，又减少环境污染。
    随着超声波清洗设备的应用范围越来越广泛，各种经过不断完善和改进的新颖超声波清洗设备正在取代已面市的老式设备。
    兆赫超声波清洗技术是指采用频率700KHz—2MHz的超声波进行清洗。清洗系统一般由压电换能器陈列、清洗容器和清洗液、高频电功率发生器及控制电路等组成，对于某些特定的清洗对象，有时还配有热空气烘干、专用清洗架(篮)及清洗液的过滤循环系统。
    兆赫超声波清洗技术的主要特点，一是避免了高光洁度物体的表面损伤；二是可除去附着在表面的亚微米大小的颗粒；三是浸入液体中，面向换能器的一面能被洗净，所以要进行两面清洗。
    目前，国外市场上已有商用的兆赫超声波清洗设备。美国Verteq、Imtec、ProSys公司已开发出这类设备用于半导体生产线上，在对100—300mm硅片的清洗中，可除去硅片表面上小到0．15μm的微小颗粒，而且可加快漂洗过程并有效地阻止粒子在硅片表面上重新附着。兆赫超声波清洗是国外许多大规模集成电路制造厂家生产过程中不可缺少的标准设备。
超声波的作用原理
    超声波清洗的原理，在理论要加以阐述是比较复杂的，里面牵涉许多因素和作用，可以体现超声波清洗作用的主要有以下三点。
    (1)空穴作用
    当强力的超声波辐射到液体中，清洗液以静压(一个标准气压)为中心进行变化，在压力到零气压以下时，溶解在液体中的氧会形成微小气泡核，进而产生无数近似真空的微小空洞(空穴)。超声波的正压力时的微小空洞，在绝热压缩状态被挤碎，这个发生在挤碎瞬间的强力冲击波，可直接破坏污染物并使之分散在液中，形成清洗机理。试验中这种强力的清洗作用，能在数十秒内对铝箔侵蚀成无数的小孔。
    利用空穴作用的清洗，对去油污的效果比较好，通常在28KHZ~50KHZ的频率内进行机械另部件的清洗，清洗机的超声波强度大多设定在0．5~1w／cm2。
    (2)加速度
    清洗液体经超声波辐射，液体分子发生振动，这种振动加速度在28KHZ时是重力加速度的103倍，在950KHZ时将达到105倍，由这个强力加速度可以对受污物的表面实行剥离清洗。然而，950KHZ的超声波不产生空穴，不适应去油污的清洗，只能在电子工业的半导体制造中，对亚微米粒子的污染进行清洗。
    (3)物理化学反应的促进作用
    由空穴作用使液体局部发生高温高压(1000气压，5500℃)，再经振动产生的搅拌，促使化学或物理作用的相乘，液体不断地乳化分散，进一步促进化学反应的速率。
清洗液深度的确定
    液体中的超声波会因行波、回波的相互干扰及强合结果，将形成“驻波”现象，(见图1)。确定产生驻波的液体深度，能得到*好的超声波辐射效果。产生驻波的液体深度，可用下面公式计算。
    液深(λ/2)＝声速/频率÷2
    这个液体深度的正倍数数值，也是*适合的深度，例在20℃水温，28K1c时液深为27mm、54mm、81mm等等，38KHZ时液深为21mm、42mm、63mm等，但是，不同的液体、液温及超声振荡器，其驻波发生情况是不同的。参见表1。

表 1 驻波的产生情况比较

清洗液 声 速 λ/2  
水 20℃ 1483mm  27mm 
氟里昂 20℃ 717mm 13mm  
IPA 20℃ 1168mm 21mm 
酸碱清洗剂 20℃ 1483mm 27mm 

超声波产生方式和清洗条件的设定
    超声波的产生方式由表2表示，可按不同的清洗目的加以选择，目前常用的是能进行强力清洗的连续振荡方式。频率调制和多频率的方式，清洗时清洗不均现象较多，对污染严重物体的清洗不太适应。

表 2 超声波的产生方式

方  式 内  容 特  征 
连续振荡 振幅及频率是固定的 可强力清洗。由驻波作用使清洗不均，应增加摇动，达到清洗均匀性。 
加宽调制 振幅变化 有良好的脱气效果，对不同物体清洗性好，噪声大。 
频率调制（FM振荡） 振荡频率实行数千赫的变化 能均匀地清洗。清洗效率差，平均输出功率低。 
同时多频率 多种频率同时发生 形成均衡的声场，清洗均匀，不易得到强力的超声波。 
多频率交替 每一种频率发生复数个频率 清洗均衡，不易得到强力清洗。 
圆锥形辐射清洗 用不锈钢制成的共振体进行超声波辐射。一般在清洗不充分场合使用 可获得常规超声波10倍或20倍的强度，性能高。 但清洗面小，噪