什麼是超聲波及其在工業中的應用？
超聲波被稱為彈性波（由於彈性力的作用而在液體、固體和氣體介質中傳播的波），其頻率在人類可聽範圍之外——大約 20 kHz 甚至更高。
最初，僅根據人耳的感知或非感知來區分超聲波和可聽聲音。不同人的聽力閾值從 7 到 25 kHz 不等，並且已經確定一個人通過骨傳導機制感知頻率為 30 - 40 kHz 的超聲波。因此，超聲頻率的下限通常被接受。
超聲波頻率的上限擴展到頻率 1013 — 1014 Hz，即。直到波長變得與固體和液體中的分子間距離相當的頻率。在氣體中，該邊界位於下方並由分子的自由程決定。
超聲波的有用功能
儘管在物理上超聲波與可聽聲音具有相同的性質，只是有條件地（更高的頻率）有所不同，但正是由於更高的頻率，超聲波才適用於許多有用的方向。
因此，當測量固體、液體或氣體物質中的超聲波速度時，觀察快速過程、確定比熱（氣體）、測量固體的彈性常數時，會出現非常小的誤差。
由於彈性波的能量與其頻率的平方成正比，低振幅下的高頻使得能量流密度增加成為可能。此外，以正確的方式使用超聲波可以產生許多非常特殊的聲學效果和現象。
這些不尋常的現象之一是聲空化，當強大的超聲波被引導到液體中時會發生這種現象。在液體中，在超聲波作用區域，蒸汽或氣體的小氣泡（亞微觀尺寸）開始增長到直徑幾分之一毫米，隨著波的頻率脈動並在正壓相中破裂。
坍縮的氣泡在局部產生了在數千個大氣壓下測量的高壓脈衝，成為球形衝擊波的來源。在這種脈動氣泡附近產生的聲學微流可用於製備乳液、清潔零件等。
通過聚焦超聲，在聲全息和聲視系統中獲得聲像，聲能集中形成定向波束，具有明確和可控的方向性特徵。
使用超聲波作為光的衍射光柵，可以出於各種目的改變光的折射率，因為超聲波中的密度與彈性波中的一樣通常是周期性變化的。
最後，與超聲波傳播速度有關的特性。在無機介質中，超聲波的傳播速度取決於介質的彈性和密度。
對於有機介質，這裡的速度受邊界及其性質的影響，即相速度取決於頻率（色散）。超聲波隨著波前與源的距離而衰減 - 波前發散，超聲波分散，吸收。
介質的內摩擦（剪切粘度）導致超聲波的經典吸收，而且超聲波的弛豫吸收優於經典吸收。在氣體中，超聲波被削弱得更厲害，在固體和液體中，它要弱得多。例如，它在水中的分解速度比在空氣中慢 1000 倍。因此，超聲波的工業應用幾乎完全與固體和液體有關。
超聲波的使用
超聲波的使用正朝著以下方向發展：
- 超聲波技術，它可以通過超聲波對給定物質和物理化學過程產生不可逆的影響，強度單位為 W / cm2 至數十萬 W / cm2;
- 基於超聲波的吸收和速度對其傳播介質狀態的依賴性的超聲波控制；
- 超聲波定位方法、信號延遲線、醫學診斷等，都是基於較高頻率的超聲波振動以直線波束（射線）傳播的能力，遵循幾何聲學規律，同時以相對較低的速度傳播。
超聲波在物質結構和性質的研究中起著特殊的作用，因為在它們的幫助下，可以相對容易地確定材料環境中最多樣化的特徵，例如彈性和粘彈性常數、熱力學特徵、費米麵的形式、位錯、晶格缺陷等超聲波研究的相關分支稱為分子聲學。
迴聲定位和聲納中的超聲波（食品、國防、採礦）
1912 年，俄羅斯工程師 Shilovsky 與法國物理學家 Langevin 共同創建了第一個聲納原型，以防止船舶與冰塊和冰山相撞。
該裝置利用聲波反射和接收原理。信號瞄準某個點，通過響應信號（迴聲）的延遲，知道聲音的速度，就可以估計到反射聲音的障礙物的距離。
Shilovsky 和 Langevin 開始了對水聲學的深入研究，並很快創造了一種能夠在最遠 2 公里的距離內探測地中海敵方潛艇的裝置。所有現代聲納，包括軍用聲納，都是這種裝置的後代。
用於研究海底地形的現代迴聲測深儀由四個部分組成：發射器、接收器、換能器和屏幕。發射器的功能是將超聲波脈衝（50 kHz、192 kHz 或 200 kHz）發送到水中深處，以 1.5 km/s 的速度在水中傳播，在水中被魚、石頭和其他物體反射下面，這個回波到達接收器後，經過一個轉換器處理，並將結果以便於視覺感知的形式顯示在顯示器上。
超聲波在電子電氣行業
現代物理學的許多領域離不開超聲波。固體和半導體物理學以及聲電子學在許多方面都與超聲波研究方法密切相關——其影響頻率為 20 kHz 或更高。這裡有一個特殊的地方是聲電子學，其中超聲波與固體內部的電場和電子相互作用。
體積超聲波用於延遲線和石英諧振器，以穩定現代電子系統中處理和傳輸信息的頻率。表面聲波在電視帶通濾波器、頻率合成器、聲波傳輸設備中佔有特殊地位，在內存和圖像讀取設備中。最後，相關器和卷積器在它們的操作中使用橫向聲電效應。
無線電電子學和超聲波
超聲波延遲線可用於延遲一個電信號相對於另一個電信號。電脈沖轉換為具有超聲波頻率的脈衝機械振動，其傳播速度比電磁脈衝慢許多倍；然後將機械振動轉換回電脈衝，並產生相對於原始輸入有延遲的信號。
對於這種轉換，通常使用壓電或磁致伸縮換能器，這就是延遲線也稱為壓電或磁致伸縮的原因。
在壓電延遲線中，將電信號施加到與金屬棒剛性連接的石英板（壓電換能器）。
第二個壓電換能器連接到桿的另一端。輸入換能器接收信號，產生沿桿傳播的機械振動，當振動通過桿到達第二個換能器時，再次產生電信號。
振動沿桿的傳播速度遠小於電信號的傳播速度，因此通過桿的信號相對於輸入的延遲量與電磁和超聲波振動速度的差異有關。
磁致伸縮延遲線將包含輸入換能器、磁鐵、聲線、輸出換能器和吸收器。輸入信號施加到第一個線圈，超聲波頻率振盪 - 機械振盪 - 在由磁致伸縮材料製成的棒的聲導體中開始 - 磁鐵在轉變區和初始磁感應中產生永久磁化。
在桿中，振動以 5000 m / s 的速度傳播，例如，對於 40 cm 的桿，延遲將為 80 μs。桿兩端的衰減器可防止不需要的信號反射。磁致伸縮干擾會導致次級繞組（輸出轉換器）EMF 中的感應發生變化。
製造業中的超聲波（切割和焊接）
在超聲源和工件之間放置磨料（石英砂、金剛石、石頭等）。超聲波作用於磨粒，磨粒又以超聲波的頻率撞擊零件。在磨粒的大量小衝擊的影響下，工件材料被破壞 - 這就是加工過程。
進給運動增加了切削，而縱向切削擺動是主要的。超聲波處理的精度取決於磨料顆粒的大小，達到1微米。通過這種方式，可以進行複雜的切割，這在金屬零件的生產、打磨、雕刻和鑽孔中是必不可少的。
如果需要焊接不同的金屬（甚至聚合物）或將厚部件與薄板結合起來，超聲波再次出手相助。這就是所謂的 冷超聲波焊接…在焊接區超聲波的影響下，金屬變得非常可塑，零件在連接過程中很容易以任何角度旋轉。值得關閉超聲波 - 部件將立即連接，捕捉。
尤其值得注意的是，焊接是在低於零件熔點的溫度下進行的，它們的連接實際上是在固態下進行的，但是鋼、鈦甚至鉬都是以這種方式焊接的。薄板最容易焊接。這種焊接方法並不意味著對零件表面進行特殊處理，這也適用於金屬和聚合物。
超聲波檢測用於檢測焊接過程中金屬中的扁平型缺陷（裂紋、未焊透、未附著）。這種方法對細晶粒鋼非常有效。
冶金中的超聲波（超聲波探傷）
缺陷的超聲波檢測——基於改變彈性傳播條件（主要是超聲波振動）的缺陷檢測。
超聲波探傷是金屬零件無損質量控制最有效的方法之一。
在均勻介質中，超聲波沿一個方向傳播而不會迅速衰減，反射是其在介質邊界處的特性。因此，檢查金屬部件內部（空氣與金屬界面）是否存在空隙和裂紋，並檢測到金屬疲勞增加。
超聲波可以穿透 10 米深度的零件，檢測到的缺陷尺寸為 5 毫米量級。有：陰影、脈衝、共振、結構分析、可視化、——五種超聲波探傷方法。
最簡單的方法是超聲波陰影缺陷檢測，這種方法是基於超聲波在通過零件時遇到缺陷時的衰減，因為缺陷會產生超聲波陰影。兩個轉換器工作：第一個發射波，第二個接收波。
這種方法不靈敏，只有當其影響使信號發生至少 15% 的變化時才能檢測到缺陷，此外，無法確定缺陷在零件中的深度。脈沖超聲方法獲得更準確的結果，它還顯示深度。
用於發射和接收彈性振動 壓電換能器， 在聲音和低超聲波頻率範圍內—— 磁致伸縮換能器.
以下方法用於將彈性振動從換能器傳遞到受控產品，反之亦然：
- 非接觸式；
- 幹接點（主要針對低頻）；
- 與潤滑劑接觸（測試前，在產品乾淨處理的表面塗上一層厚度遠小於彈性波長的油或水）；
- 噴射接觸（通過在壓電元件和產品表面之間的小間隙中流動的液體流）；
- 浸沒（受控產品浸入浴中並通過一層液體接觸，其厚度必須至少為產品厚度的 1/4）。
浸入式、噴墨式和非接觸式方法的優點是不會對搜索頭造成磨損，可以使用更高的掃描速度，還可以實現管理自動化。
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