超声波在工业、农业、医疗和军事的应用

超声波在工业、农业、医疗和军事的应用
超声波在工业、农业、医疗和军事的应用

超声波在工业、农业、医疗和军事的应用
1、超声波的应用
1.超声检验.超声波的波长比一般声波要短,具有较好的方向性,而且能透过不透明物质,这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术.
2.超声处理.利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应,可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化 、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等,在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用.
3.基础研究.超声波作用于介质后,在介质中产生声弛豫过程,声弛豫过程伴随着能量在分子各自电度间的输运过程,并在宏观上表现出对声波的吸收（见声波）.通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构,这方面的研究构成了分子声学这一声学分支.普通声波的波长远大于固体中的原子间距,在此条件下固体可当作连续介质 .但对频率在1012赫以上的 特超声波 ,波长可与固体中的原子间距相比拟,此时必须把固体当作是具有空间周期性的点阵结构.点阵振动的能量是量子化的 ,称为声子（见固体物理学）.特超声对固体的作用可归结为特超声与热声子、电子、光子和各种准粒子的相互作用.对固体中特超声的产生、检测和传播规律的研究,以及量子液体——液态氦中声现象的研究构成了近代声学的新领域——
2超声波在农业中的应用
2.1 超声波处理与加工的基本原理
超声波处理与加工设备主要是由四个部分组成：超声波发生器、换能器、超声波聚能器及超声波发生器和换能器之间的匹配电路.如图1所示,超声波发生器产生一定高频电能提供给超声换能器,由超声换能器将电能量转化成机械能,然后通过超声波聚能器将机械能放大,将声能作用在待处理的物质上.超声波的生物效应应用十分广泛,其主要的生物效应是源于空化作用引起的机械效应和热效应等.超声波处理与加工的基本原理主要是利用液体动力学的空化现象.超声空化是指超声波激活气泡的各种动力表现,这些表现可能是较为有规律而缓和的稳态空化或者是很激烈而短暂的瞬态空化.瞬态空化泡绝热收缩至崩溃瞬间,泡内可呈现高温和几千个大气压的高压,并伴有强大的冲击波或射流等.超声波的辐照因其机械作用,能使液体媒质质点运动增强,质量传输加速,还能影响边界层、膜、细胞壁和液泡.超声的空化作用还能破坏细胞并使酶变性等.以下所举的超声波在农业中的一些新应用基本上都是循着上述的基本原理而实现的.
2.2 超声测定土壤中的铅[1]
铅是一种对人体有害的元素,它是土壤分析中的常测元素.采用悬浮液直接进样火焰原子吸收光谱法测定土壤中的铅时,由于土壤样品的取样量大,使得悬乳液的粘度大、不易分散均匀而影响进样的缺点.采用先用超声波处理悬浮液后进样的方法,可使进样顺利和使悬浮液稳定时间延长；十二烷基硫酸钠(SDS)增敏可以提高悬浮液直接进样火焰原子吸收光谱法测定的灵敏度.该方法快速、简单、准确,适用于各种土壤样品中铅的测定.
2.3 超声处理种子
超声育种,应用超声波处理种子,早在前苏联就已有了不少研究.根据外国文献所载,少量的超声波能刺激细胞分裂,中等量的超声波会抑制细胞分裂,大量的能引起细胞死亡.在上世纪,就有人用超声波对菠菜和白菜种子进行实验.其实验结果显示,在对白菜种子用超声波处理1分钟和2分钟时,其种子的发芽率为92%~96%,而未用超声波处理的白菜种子发芽率为88%.在对菠菜种子用超声波处理1分钟后,其出土率为85%,而未用超声波处理的菠菜种子出土率为40%[2] .用超声波处理的种子在日后增产也比较显著.低频脉冲超声波对小麦幼苗变异较明显.经超声波照射的水培变异幼苗,出现率为8.57±8.25%,对照的自然变异出现率为1.00±1.28%；田间种植变异幼苗出现率为18.21±2.54%,对照的自然变异出现率为14.58±2.59%.经照射的咸农68小麦单株粒重超过亲本的家系达55.17%,超亲达1%显著水准占超亲家系87.50%.经照射的四方穗小麦,单株粒重超亲家系达69.23%,达到1%显著水准的超亲家系占77.78[3] .
2.4 超声处理对植物生长的影响
超声培苗,与其他环境应力一样,超声波作为应力的一种作用形式,对植物的生长发育有重要的影响.近年来,在超声处理下,从对植物生长变化的宏观观察到对植物生理生化的研究,从对植物细胞、组织、分裂生长的影响研究到对超声处理对植物作用机理的探讨,均取得了很多的成效.超声处理可以影响植物体或者某些器官的生存和生长.对器官生长影响的研究主要集中在根上,温和的超声处理能促进生根[4] .植物细胞经超声波处理,出现了一致现象,即低剂量、短时间的温和处理能明显加速和诱导植物细胞的分裂,刺激细胞生长,加速原生质体的蛋白合成；而处理时间延长,处理剂量加大则会造成负面的不可恢复的影响.利用超声波对保鲜液处理,能使插花推迟鲜重始降时间,增大最大花茎,延长插花寿命[5,6] .可见,一定频率和强度的超声波处理可以强化植物的一些生理生化指标,促进植物的生长发育.
2.5 超声处理对植物呼吸作用的影响
关于植物呼吸作用的研究一直是植物生理学研究的一个热点,特别对农作物来说,其呼吸作用的大小直接关系到产量的高低,所以它的研究对农业的发展具有十分重要的理论和实际意义.1975年Albu E研究发现低频率超声波（25kHz）处理蔬菜之后,一年生植物（如番茄和黄瓜）的呼吸强度下降,而两年生植物（如卷心菜和洋葱）的呼吸强度上升[7] .自此我们可以推测,利用超声处理相关的农作物可以提高作物的产量.
2.6 超声波犁田
传统的翻地犁需要笨重的机器牵引,这不仅会压实深层的土壤,使其不能保持水分和养料；而且翻起的地表土会被风和雨水侵蚀.这是许多农民的一大心病.此外,由于多次的翻犁,植物的根以及腐烂的残留植物被翻出地表,他们会散发出二氧化碳气体.约旦的农机工程师奈达·阿布哈德发明了利用超声波松土.他的实验结果显示：松土可达土壤深度20cm.这完全满足了一般农作物的松土深度.
2.7 超声处理植物根系[8]
糖类是植物体内的主要成分之一,可溶性糖主要指的是单糖和低聚糖.磷酸单糖在植物细胞中的含量不高,但它们都是光合作用及呼吸作用过程中的主要中间产物,在代谢过程中极为重要.经超声波刺激后,根系中的可溶性糖含量比对照组高大约29.6%.丰富的蛋白质是细胞进行一系列生理活动的物质基础,经过超声波刺激后,根系中的可溶性蛋白增加了35.3%,高水平的可溶性蛋白质含量保证了细胞旺盛的分裂生长能力,这说明了经过超声波刺激后,植物根部细胞分裂旺盛,生长能力强.
2.8 超声除虫[9]及促进蚕卵孵化
用250W－CFS 超声波发生器（中原电子仪器厂出品）匹配自带的清洗槽,果实内已生有虫子的板栗浸在清洗槽里的自来水中,在19.5~20.5kHz下,开机处理15min,结束后去水晾干,保存2周.切开板栗果实检查,长10mm左右的幼虫仍存活,而6mm以下的幼虫死亡.加长处理时间, 虫子的死亡率基本一致.另外,有人曾用类似的方法及设备处理过蚕卵（约半分钟内）,直接结果是蚁蚕的孵化时间达到基本一致；追踪结果为比同样条件下长大的成虫做的蚕茧的抽丝率提高.也曾有人试图用超声处理水果（苹果、梨等）中害虫,但大多无果而终.
2.9超声催产
3.超声波在工业的应用
超声波物位 液位计
超声波流量计
超声波探伤仪
超声波限位开关
超声波清洗装置
应用行业：
行业类别 电子及电
器工业机器 光学机械、宝
石加工、钟表业 汽车、摩
托车产业 化纤纺织 食品
酿造 航空、飞机行业
4.超声波在军事的应用
声波武器
一般人认为,声音与听觉是连在一起的,但它作为一种空气波,在聚焦后可成为
攻击武器,对许多人来说,这恐怕还是件新鲜事.近日,位于美国加州圣地亚哥
市的美国技术公司就研制出一种用声波作子弹的枪.
主动声纳：基本原理同蝙蝠探路.