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超音波前景看俏、商機無限
                                                                       来自:台湾建国理国生科所
 

      超音波(Ultra sonic)是近年來曝光率相當高的名詞,目前市面上可見的超音波科技產品包羅萬象,舉家電產業(例如洗衣機、冷氣機、眼鏡清洗機)、金屬製品(金屬熔接)、電子業(IC製造)與生物、醫療領域(超音波檢驗、超音波碎石)都能見到這項技術的應用,且其研究領域內涵卻仍然不斷地在創新與發展中。超音波是一種人類耳朵無法聽到的頻率的音波。所謂的「音波」可以解釋為人的耳朵可以感受到的物理震動(同理「可見光」則可以解釋為人的眼睛可以感受到的電磁震動) ,這種震動經由介質,也就是空氣,傳遞到人的耳朵,震動人的耳膜,引發聽覺。這段過程當然無處不在,可是人的聽力卻只能接收每秒兩萬次以下的震動。頻率高於此數的震動,不論其能量有多大,人類一蓋充耳不聞,所以我們稱此類震動為超音波。超音波有以下幾項重要的特色:

      超音波震動純粹為物理震動,且頻率高於人耳可以辨知的範圍,所以不會危害人體或影響生活,其震動頻率又不會太高,所以可以引發其他金屬材料與其共振,藉此過程進一步將聲波震動轉化為機械動能提供輸出,若對水這樣的液體引入超音波震動,則由於液體的黏滯效應,這種高頻振動會在水中產生許多小真空泡(直徑大約是幾萬分之一公分),而這些真空泡碎裂時,可以在局部產生相當於1000大氣壓的壓力。有了這種超強的振動力,還有什麼污垢不能被振掉。別說是洗衣服了,現在連IC晶圓的清潔,都大力仰賴超音波。
由於其波動的特性,所以可以利用大家熟悉的波動力學加以分析。因此只要配合二維或三維的波動方程式分析技巧,便可以將應用於探測或量測用途上,像是雷達一般。將超音波打入水中,再藉著接收其回波,來探索水中物體之所在,這又叫聲那(Sonar)。

超音波應用領域包羅萬象

      整體來說,超音波的應用範圍,可以歸納為下列幾項:

利用超音波來進行探測:這包括超音波聲納、魚群探勘、海底探勘、超音波流速流量計、超音波測距。
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利用超音波於醫療設備:包括超音波熱療、超音波影像掃描、超音波碎石機、超音波顯微鏡。
利用超音波於訊號感測上:包括超音波壓力感測、超音波膜厚感測、超音波加速度感測、超波震動感測。
利用超音波於工業加工:包括超音波金屬焊接、超音波塑料焊接、超音洗淨機、超音波霧化器、超音波加溼器。
利用超音波於動力驅動:如超音波馬達,這種馬達可能可以做得和鉛筆一般粗細,但是卻有和一般電風扇一樣大小的輸出馬力。

超音波檢測廣泛域運用於醫療領域

      由於超音波在碰到物體的時候,會產生反射、折射與折射的特性,其原理類似於雷達。所以運用超音波技術的儀器主要的原理即為將用探頭將超音波發射於物體或人體內,並接受、傳輸其反射或折射的音波(聲音的波型、功率與聲場分布),並產生相對應的醫學影像 (人體內部組織圖片),由於人體的不同組織間,傳回的聲波也不同,故能造成不同的剖面,超音波就是利用這種原理將聲波轉換為可供給檢測的影像,而醫師就可透過對這些圖像的診斷與觀察,來了解受檢測部位的狀況,並進行治療。由於超音波最大的優點是檢測安全、可靠,精確度高,其震動頻率與能量都很低,對人體或器官組織不會產生傷害,即是受測者是孕婦與胎兒,亦相當安全,所以超音波在醫療領域的應用上最為廣泛。成為與X光並駕齊驅的檢測與診斷技術。近年來工研院與國科會大力投入超音波的研究,其中最受矚目的應用為:

3D超音波定位系統及3D影像描繪系統技術
高頻超音波測量人體組織之特性研究
高頻超音波臨床特性分析研究
生醫微小化感測器
診斷用超音波線性陣列換能器之製程
具有機械式保護開關之手握型超音波治療頭
環型渦流流量計之壓電式感測器
改良之超音波霧化裝置
複合式超音波治療換能器及其製作方法。
超音波洗淨技術可完成高難度的清潔工作

      除了醫療方面的應用外,超音波也廣泛的應用在工業與民生用途中,而最為人所熟知的即為超音波洗淨技術。超音波洗淨技術的原理,是將洗淨液先放入洗淨槽中,再利用超音波高速震盪(每秒甚至可達4萬5千次)、疏密有秩的特性,推動介質作用,使液體之分子間產生壓力的交替變化,在負壓的區域,液體會產生撕裂的力量,形成真空的氣泡;但是當聲壓累積到一定程度時,氣泡會持續擴張,並在正壓的區域受到擠壓與閉合,這種現象成為空穴效應(cavitation)。當洗淨液中無數的細小的真空氣泡,在震盪過程中受壓破裂時,會因為加速度而產生強大的衝擊力(局部壓力甚至可達數千個大氣壓),即可將愈清洗物品的表面與細縫死角粘附的髒汙剝離,達到徹底洗淨的效果。由於超音波洗淨技術洗淨速度快,清潔效果好、有殺菌效果,更不會接觸或損傷物體表面,相較於其他物理清洗或化學清洗方法,有無可比擬的優越性。所以構造精密或脆弱易碎的物品,像是鐘錶、珠寶首飾、鏡片、光學儀器、攝影器材、電子元件、精緻金屬、醫藥用品等,就特別需要利用超音洗淨技術來進行精細、高難度的清潔工作。



超音波的產生原理 - 壓電效應

      超音波已經是一種成熟的技術,那麼要如何產生超音波呢?傳統上有包括利用高壓空氣、利用放電火花等許多方法,可是現在主要是應用「壓電效應」 (Piezoelectirc effect),來產生超音波。壓電效應為一種機電能量互換的現象,是以機械應力及應變作用而使物體產生電荷或電壓輸出,由於壓電效應的使用,讓超音波除了能應用於醫療與民生用途之外,在工業用途上也邁入了新的領域,造就了超音波馬達這種新興產品。

壓電效應的原理與應用

      超音波馬達是利用壓電材料輸入電壓會產生變形的特性,使其能產生超音波頻率的機械振動,再透過摩擦驅動的機構設計,讓超音波馬達如同普通馬達一般,可進行旋轉運動或直線式移動。一般馬達運轉時會發出雜音,這是因為馬達內部結構產生振動,而振動頻率恰好在我們耳朵可以感受的頻率範圍內。超音波馬達的振動頻率則設計在人耳所能聽到的範圍之外,所以當它運轉時我們感覺不到有聲音,因而覺得非常安靜,這是超音波馬達相當重要的特色。因為超音波馬達的振動頻率高於我們耳朵所能感受的範圍,所以像是醫院、圖書館等需要保持安靜的場所,就可以使用超音波馬達。目前超音波馬達已經應用在相機、手錶、汽車、醫療設備、航太工業等精密機械的內部,另由於超音波馬達體積小、重量輕、又比同尺寸的馬達能夠輸出更大的力,且不受磁場影響,所以在太空梭、無人探測船、人造衛星等,超音波馬達也有很大的發展空間!

超音波與理工人的親密關係

      超音波技術的應用範圍廣泛,且由於產生超音波的壓電效應原料,已經由天然的晶體(例如石英),延伸到人工製造的材料(例如聚合物、陶瓷材料),因此,改善壓電效應的材質,積極強化這部分的認知層面與技術應用,是理工人可以貢獻心力的領域。此外因為應用超音波技術的機械設備,系統本身對於電壓、慣性力的設計較為不同,因此在機構設計的領域中,也需要理工人的投入與貢獻,讓超音波應用產品得以運作順暢。所以超音波技術實在是結合了化工材料、機電與工程力學等重要學門,且應用於醫療、民生工業與高科技領域。理工人若能藉由積極參與,隨時發揮自己的想像力與創意,並尋求其他相關應用的途徑,就能發展出更多的實用生活科技,屆時就有機會創造出更優異的技術,讓超音波實用產品更成熟,大大增加人類生活的便利性!
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