超声波设备在农业中的应用

【专家解说】：<作用>： 超声波： 超声治疗学是超声医学的重要组成部分。超声治疗时将超声波能量作用于人体病变部位，以达到治疗疾患和促进机体康复的目的。 在全球，超声波广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域。赛福瑞家用超声治疗机属于超声波治疗学的运用范畴。 （一）工程学方面的应用：水下定位与通讯、地下资源勘查等 （二）生物学方面的应用：剪切大分子、生物工程及处理种子等 （三）诊断学方面的应用：A型、B型、M型、D型、双功及彩超等 （四）治疗学方面的应用：理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科等 超声波的特点: 1、超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。 2、超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。 3、超声与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息（诊断或对传声媒质产生效应。（治疗） 超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如B超等用作诊断）；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构（用作治疗）。 超声波的发展史: 一、国际方面： 自19世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。 1922年，德国出现了首例超声波治疗的发明专利。 1939年发表了有关超声波治疗取得临床效果的文献报道。 40年代末期超声治疗在欧美兴起，直到1949年召开的第一次国际医学超声波学术会议上，才有了超声治疗方面的论文交流，为超声治疗学的发展奠定了基础。1956年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表，超声治疗进入了实用成熟阶段。 二、国内方面： 国内在超声治疗领域起步稍晚，于20世纪50年代初才只有少数医院开展超声治疗工作，从1950年首先在北京开始用800KHz频率的超声治疗机治疗多种疾病，至50年代开始逐步推广，并有了国产仪器。公开的文献报道始见于1957年。到了70年代有了各型国产超声治疗仪，超声疗法普及到全国各大型医院。 40多年来，全国各大医院已积累了相当数量的资料和比较丰富的临床经验。特别是20世纪80年代初出现的超声体外机械波碎石术和超声外科，是结石症治疗史上的重大突破。如今已在国际范围内推广应用。高强度聚焦超声无创外科，已使超声治疗在当代医疗技术中占据重要位置。而在21世纪(HIFU)超声聚焦外科已被誉为是21世纪治疗肿瘤的最新技术。 超声波治病机理: 1．机械效应：超声在介质中前进时所产生的效应。（超声在介质中传播是由反射而产生的机械效应）它可引起机体若干反应。超声振动可引起组织细胞内物质运动，由于超声的细微按摩，使细胞浆流动、细胞震荡、旋转、摩擦、从而产生细胞按摩的作用，也称为“内按摩”这是超声波治疗所独有的特性，可以改变细胞膜的通透性，刺激细胞半透膜的弥散过程，促进新陈代谢、加速血液和淋巴循环、改善细胞缺血缺氧状态，改善组织营养、改变蛋白合成率、提高再生机能等。使细胞内部结构发生变化，导致细胞的功能变化，使坚硬的结缔组织延伸，松软。 超声波的机械作用可软化组织，增强渗透，提高代谢，促进血液循环，刺激神经系统和细胞功能，因此具有超声波独特的治疗意义。 2．温热效应：人体组织对超声能量有比较大的吸收本领，因此当超声波在人体组织中传播过程中，其能量不断地被组织吸收而变成热量，其结果是组织的自身温度升高。 产热过程既是机械能在介质中转变成热能的能量转换过程。即内生热。超声温热效应可增加血液循环，加速代谢，改善局部组织营养，增强酶活力。一般情况下，超声波的热作用以骨和结缔组织为显著，脂肪与血液为最少。 3．理化效应：超声的机械效应和温热效应均可促发若干物理化学变化。实践证明一些理化效应往往是上述效应的继发效应。TS-C型治疗机通过理化效应继发出下列五大作用： A.弥散作用：超声波可以提高生物膜的通透性，超声波作用后，细胞膜对钾，钙离子的通透性发生较强的改变。从而增强生物膜弥散过程，促进物质交换，加速代谢，改善组织营养。 B.触变作用：超声作用下，可使凝胶转化为溶胶状态。对肌肉，肌腱的软化作用，以及对一些与组织缺水有关的病理改变。如类风湿性关节炎病变和关节、肌腱、韧带的退行性病变的治疗。 C.空化作用：空化形成，或保持稳定的单向振动，或继发膨胀以致崩溃，细胞功能改变，细胞内钙水平增高。成纤维细胞受激活，蛋白合成增加，血管通透性增加，血管形成加速，胶原张力增加。 D.聚合作用与解聚作用：水分子聚合是将多个相同或相似的分子合成一个较大的分子过程。大分子解聚，是将大分子的化学物变成小分子的过程。可使关节内增加水解酶和原酶活性增加。 E.消炎，修复细胞和分子：超声作用下，可使组织PH值向碱性方面发展。缓解炎症所伴有的局部酸中毒。超声可影响血流量，产生致炎症作用，抑制并起到抗炎作用。使白细胞移动，促进血管生成。胶原合成及成熟。促进或抑制损伤的修复和愈合过程。从而达到对受损细胞组织进行清理、激活、修复的过程。 换能器将超声频电能转换成机械振动并通过清洗槽壁向盛在槽中的清洗液辐射超声波。存在于液体中的微气泡(称为空化核)在声波的作用下振动，当声压或声强达到一定值时，气泡迅速增长，然后突然闭合。在气泡闭合时，产生冲击波，在气泡周围产生1012～1013Pa的压力及局部高温，这种物理现象称为超声空化。空化所产生的巨大压力能破坏不溶性污物而使它们分散于溶液中。蒸汽型空化对污垢层的直接反复冲击，一方面破坏污物与清洗件表面的吸附，另一方面也会引起污物层的疲劳破坏而脱离。气体型气泡的振动对固体表面进行擦洗，污层一旦有缝可钻，气泡还能“钻入”裂缝作振动，使污层脱落。由于空化作用，两种液体在界面迅速分散而乳化，当固体粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子自行脱落。超声在清洗液中传播时会产生正负交变的声压，冲击清洗件，同时由于非线性效应会产生声流和微声流，而超声空化在固体和液体界面上会产生高速的微射流，所有这些作用能够破坏污物，除去或削弱边界污层，增加搅拌、扩散作用，加速可溶性污物的溶解，强化化学清洗剂的清洗作用。由引可见，凡是液体能浸到、声场存在的地方都有清洗作用，而且清洗速度快、质量高，特别适用于清洗件表面形状复杂，如空穴、狭缝等的细致清洗，易于实现清洗自动化。在某些场合下可以用水剂代替有机溶剂进行清洗，或降低酸碱的浓度，对于一些有损人体健康的清洗，如清洗放射性污物可以实现遥控或自动化清洗。超声清洗也有其局限性，例如对声反射强的材料如金属、陶瓷和玻璃等清洗效果好，而对声吸收大的材料如布料、橡胶以及粘度大的污物清洗效果差。 超声清洗始于本世纪50年代初，随着技术的进步应用日益扩大。目前已广泛地用于电子电器工业，清洗半导体器件、电子管零件、印刷电路、继电器、开关和滤波器等；机械工业中用于清洗齿轮、轴承、油泵油嘴偶件、燃油过滤器、阀门及其它机械零件，大如发动机及导弹部件，小如手表零件；在光学和医疗器械方面用于清洗各种透镜、眼镜及框、医用玻璃器皿、针管和手术器具等；轻纺工业中用来清洗喷丝头，食品瓶、盖，模具及雕刻工艺品等等。 上面所举的超声清洗例子，一般都用20～40kHz的低频超声，近年来美国发展了一种称为Megasoniccleaning的技术，即用1MHz高频超声来清洗大规模集成电路，能除去小于1μm的污物，此时清洗的机理不是超声空化，而主要是粒子的振速及声流。90年代美国Crest公司声称他们发明用68kHz的超声清洗软盘驱动器，效率比用40kHz高一倍。? 我国超声清洗在下面几个方面取得较有成效的应用： 1)机械零部件在电镀前后的清洗或喷涂前的清洗，拆修零件的清洗。要求高清洁度如油泵油嘴偶件、轴承的清洗。 2)印刷电路板、硅片、铁路系统用的信号控制继电器、元器件、显像管及电真空器件等的清洗。 3)显微镜、望远镜等光学系统及取样玻璃片的清洗。 4)医用器具如口腔和外科器械的清洗，药瓶及某些食品瓶、配药室、生物化学实验室中所用瓶罐的清洗。 5)喷丝头、眼镜架、模具、雕刻工艺品等的清洗。 最近发展起来的汽车底盘架的超声清洗，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，克服过去人工擦锈、强酸清洗工艺的特点，既改善劳动条件又减少环境污染。 超声清洗设备有两大类：一类是以水溶液作为清洗剂的设备，这类设备包括超声频电功率源，超声换能器及相应的超声容器和电加热器；一种是单槽式的，另一种是多槽(多工位)连续清洗设备，时常带有定时及自动输送装置。另一类是以挥发性有机溶液，如三氯乙烯、三氯乙烷和氟里昂等作为清洗剂，这类设备除了上述各组成部分外，还需要有冷凝循环、油水分离及过滤回收有机溶液的附加设备。目前国内外主要生产和开发各种专用清洗设备、在线生产的成套设备。也生产台式、小巧的清洗设备，如医用清洗器及小型的首饰眼镜家用清洗器。 超声频率一般在20～50kHz，小型设备的电功率只有几天，大型成套设备达几十千瓦到上百千瓦。超声换能器50～60年代大多采用磁致伸缩换能器，目前大多采用高效率的压电换能器；超声频电功率源过去用电子管器件，目前已被淘汰而采用固态器件，用这种器件制作的设备效率高而体积小，利用组合结构，功率可以做得很大，为大功率超声的扩大应用创造了良好的条件。 美国生产超声清洗设备的公司大约有40多家，比较有名的约有10家，西欧国家生产清洗设备的主要是英、法、德及瑞士等国。我国超声清洗设备的主要厂商约有10家，小规模个体公司不计其数。 国外厂商很注重化学清洗剂的配套供应及清洗工艺的咨询服务，而这正是国内大多数厂商最欠缺的，国内厂商主要考虑超声清洗设备的生产，很少有专门的部门从事清洗剂的研制以适应不同清洗对象的需要。如果能将超声清洗设备和化学清洗剂很好地结合起来定会取得更好的效果，因为超声清洗的主要物理机制是超声的空化现象，而空化强度除与超声功率密度、频率等有关外，还与清洗液的粘滞系数、表面张力、蒸汽压和温度等参数有关。目前从环境保护角度要求以水基清洗剂代替有机溶剂进行超声清洗，而国内许多厂家尚未能适应这种挑战，还需要多方面的合作开发。