什么是超声波及其在工业中的应用？
超声波被称为弹性波（由于弹性力的作用而在液体、固体和气体介质中传播的波），其频率在人类可听范围之外——大约 20 kHz 甚至更高。
最初，仅根据人耳的感知或非感知来区分超声波和可听声音。不同人的听力阈值从 7 到 25 kHz 不等，并且已经确定一个人通过骨传导机制感知频率为 30 - 40 kHz 的超声波。因此，超声频率的下限通常被接受。
超声波频率的上限扩展到频率 1013 — 1014 Hz，即。直到波长变得与固体和液体中的分子间距离相当的频率。在气体中，该边界位于下方并由分子的自由程决定。
超声波的有用功能
尽管在物理上超声波与可听声音具有相同的性质，只是有条件地（更高的频率）有所不同，但正是由于更高的频率，超声波才适用于许多有用的方向。
因此，当测量固体、液体或气体物质中的超声波速度时，观察快速过程、确定比热（气体）、测量固体的弹性常数时，会出现非常小的误差。
由于弹性波的能量与其频率的平方成正比，低振幅下的高频使得能量流密度增加成为可能。此外，以正确的方式使用超声波可以产生许多非常特殊的声学效果和现象。
这些不寻常的现象之一是声空化，当强大的超声波被引导到液体中时会发生这种现象。在液体中，在超声波作用区域，蒸汽或气体的小气泡（亚微观尺寸）开始增长到直径几分之一毫米，随着波的频率脉动并在正压相中破裂。
坍缩的气泡在局部产生了在数千个大气压下测量的高压脉冲，成为球形冲击波的来源。在这种脉动气泡附近产生的声学微流可用于制备乳液、清洁零件等。
通过聚焦超声，在声全息和声视系统中获得声像，声能集中形成定向波束，具有明确和可控的方向性特征。
使用超声波作为光的衍射光栅，可以出于各种目的改变光的折射率，因为超声波中的密度与弹性波中的一样通常是周期性变化的。
最后，与超声波传播速度有关的特性。在无机介质中，超声波的传播速度取决于介质的弹性和密度。
对于有机介质，这里的速度受边界及其性质的影响，即相速度取决于频率（色散）。超声波随着波前与源的距离而衰减 - 波前发散，超声波分散，吸收。
介质的内摩擦（剪切粘度）导致超声波的经典吸收，而且超声波的弛豫吸收优于经典吸收。在气体中，超声波被削弱得更厉害，在固体和液体中，它要弱得多。例如，它在水中的分解速度比在空气中慢 1000 倍。因此，超声波的工业应用几乎完全与固体和液体有关。
超声波的使用
超声波的使用正朝着以下方向发展：
- 超声波技术，它可以通过超声波对给定物质和物理化学过程产生不可逆的影响，强度为 W / cm2 至数十万 W / cm2;
- 基于超声波的吸收和速度对其传播介质状态的依赖性的超声波控制；
- 超声波定位方法、信号延迟线、医学诊断等，都是基于较高频率的超声波振动以直线波束（射线）传播的能力，遵循几何声学规律，同时以相对较低的速度传播。
超声波在物质结构和性质的研究中起着特殊的作用，因为在它们的帮助下，可以相对容易地确定材料环境中最多样化的特征，例如弹性和粘弹性常数、热力学特征、费米面的形式、位错、晶格缺陷等超声波研究的相关分支称为分子声学。
回声定位和声纳中的超声波（食品、国防、采矿）
1912 年，俄罗斯工程师 Shilovsky 与法国物理学家 Langevin 共同创建了第一个声纳原型，以防止船舶与冰块和冰山相撞。
该装置利用声波反射和接收原理。信号瞄准某个点，通过响应信号（回声）的延迟，知道声音的速度，就可以估计到反射声音的障碍物的距离。
Shilovsky 和 Langevin 开始了对水声学的深入研究，并很快创造了一种能够在最远 2 公里的距离内探测地中海敌方潜艇的装置。所有现代声纳，包括军用声纳，都是这种装置的后代。
用于研究海底地形的现代回声测深仪由四个部分组成：发射器、接收器、换能器和屏幕。发射器的功能是将超声波脉冲（50 kHz、192 kHz或200 kHz）发送到水中深处，以1.5 km/s的速度在水中传播，在水中被鱼、石头和其他物体反射下面，这个回波到达接收器后，经过一个转换器处理，并将结果以便于视觉感知的形式显示在显示器上。
超声波在电子电气行业
现代物理学的许多领域离不开超声波。固体和半导体物理学以及声电子学在许多方面都与超声波研究方法密切相关——其影响频率为 20 kHz 或更高。这里有一个特殊的地方是声电子学，其中超声波与固体内部的电场和电子相互作用。
体积超声波用于延迟线和石英谐振器，以稳定现代电子系统中处理和传输信息的频率。表面声波在电视带通滤波器、频率合成器、声波传输设备中占有特殊地位，在内存和图像读取设备中。最后，相关器和卷积器在它们的操作中使用横向声电效应。
无线电电子学和超声波
超声波延迟线可用于延迟一个电信号相对于另一个电信号。电脉冲转换为具有超声波频率的脉冲机械振动，其传播速度比电磁脉冲慢许多倍；然后将机械振动转换回电脉冲，并产生相对于原始输入有延迟的信号。
对于这种转换，通常使用压电或磁致伸缩换能器，这就是延迟线也称为压电或磁致伸缩的原因。
在压电延迟线中，电信号施加到与金属棒刚性连接的石英板（压电换能器）。
第二个压电换能器连接到杆的另一端。输入换能器接收信号，产生沿杆传播的机械振动，当振动通过杆到达第二个换能器时，再次产生电信号。
振动沿杆的传播速度远小于电信号的传播速度，因此通过杆的信号相对于输入的延迟量与电磁和超声波振动速度的差异有关。
磁致伸缩延迟线将包含输入换能器、磁铁、声线、输出换能器和吸收器。输入信号施加到第一个线圈，超声波频率振荡 - 机械振荡 - 在由磁致伸缩材料制成的棒的声导体中开始 - 磁铁在转变区和初始磁感应中产生永久磁化。
在杆中，振动以 5000 m / s 的速度传播，例如，对于 40 cm 的杆，延迟将为 80 μs。杆两端的衰减器可防止不需要的信号反射。磁致伸缩干扰会导致次级绕组（输出转换器）EMF 中的感应发生变化。
制造业中的超声波（切割和焊接）
在超声源和工件之间放置磨料（石英砂、金刚石、石头等）。超声波作用于磨粒，磨粒又以超声波的频率撞击零件。在磨粒的大量小冲击的影响下，工件材料被破坏 - 这就是加工过程。
进给运动增加了切削，而纵向切削摆动是主要的。超声波处理的精度取决于磨料颗粒的大小，达到1微米。通过这种方式，可以进行复杂的切割，这在金属零件的生产、打磨、雕刻和钻孔中是必不可少的。
如果需要焊接不同的金属（甚至聚合物）或将厚部件与薄板结合起来，超声波再次出手相助。这就是所谓的 冷超声波焊接…在焊接区超声波的影响下，金属变得非常塑性，零件在连接过程中很容易以任何角度旋转。值得关闭超声波 - 部件将立即连接，捕捉。
尤其值得注意的是，焊接是在低于零件熔点的温度下进行的，它们的连接实际上是在固态下进行的，但是钢、钛甚至钼都是以这种方式焊接的。薄板最容易焊接。这种焊接方法并不意味着对零件表面进行特殊处理，这也适用于金属和聚合物。
超声波检测用于检测焊接过程中金属中的扁平型缺陷（裂纹、未焊透、未附着）。这种方法对细晶粒钢非常有效。
冶金中的超声波（超声波探伤）
缺陷的超声波检测——基于改变弹性传播条件（主要是超声波振动）的缺陷检测。
超声波探伤是金属零件无损质量控制最有效的方法之一。
在均匀介质中，超声波沿一个方向传播而不会迅速衰减，反射是其在介质边界处的特性。因此，检查金属部件内部（空气与金属界面）是否存在空隙和裂纹，并检测到金属疲劳增加。
超声波可以穿透 10 米深度的零件，检测到的缺陷尺寸为 5 毫米量级。有：阴影、脉冲、共振、结构分析、可视化、——五种超声波探伤方法。
最简单的方法是超声波阴影缺陷检测，这种方法是基于超声波在通过零件时遇到缺陷时的衰减，因为缺陷会产生超声波阴影。两个转换器工作：第一个发射波，第二个接收波。
这种方法不灵敏，只有当其影响使信号发生至少 15% 的变化时才能检测到缺陷，此外，无法确定缺陷在零件中的深度。通过脉冲超声方法获得更准确的结果，它还显示深度。
用于发射和接收弹性振动 压电换能器， 在声音和低超声波频率范围内—— 磁致伸缩换能器.
以下方法用于将弹性振动从换能器传递到受控产品，反之亦然：
- 非接触式；
- 干接点（主要针对低频）；
- 与润滑剂接触（测试前，在产品干净处理的表面涂上一层厚度远小于弹性波长的油或水）；
- 喷射接触（通过在压电元件和产品表面之间的小间隙中流动的液体流）；
- 浸没（受控产品浸入浴中并通过一层液体接触，其厚度必须至少为产品厚度的 1/4）。
浸入式、喷墨式和非接触式方法的优点是不会对搜索头造成磨损，可以使用更高的扫描速度，还可以实现管理自动化。
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