超聲波設(shè)備在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

【專家解說(shuō)】：<作用>： 超聲波： 超聲治療學(xué)是超聲醫(yī)學(xué)的重要組成部分。超聲治療時(shí)將超聲波能量作用于人體病變部位，以達(dá)到治療疾患和促進(jìn)機(jī)體康復(fù)的目的。 在全球，超聲波廣泛運(yùn)用于診斷學(xué)、治療學(xué)、工程學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域。賽福瑞家用超聲治療機(jī)屬于超聲波治療學(xué)的運(yùn)用范疇。 （一）工程學(xué)方面的應(yīng)用：水下定位與通訊、地下資源勘查等 （二）生物學(xué)方面的應(yīng)用：剪切大分子、生物工程及處理種子等 （三）診斷學(xué)方面的應(yīng)用：A型、B型、M型、D型、雙功及彩超等 （四）治療學(xué)方面的應(yīng)用：理療、治癌、外科、體外碎石、牙科等 超聲波的特點(diǎn): 1、超聲波在傳播時(shí)，方向性強(qiáng)，能量易于集中。 2、超聲波能在各種不同媒質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠(yuǎn)的距離。 3、超聲與傳聲媒質(zhì)的相互作用適中，易于攜帶有關(guān)傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息（診斷或?qū)髀暶劫|(zhì)產(chǎn)生效應(yīng)。（治療） 超聲波是一種波動(dòng)形式，它可以作為探測(cè)與負(fù)載信息的載體或媒介（如B超等用作診斷）；超聲波同時(shí)又是一種能量形式，當(dāng)其強(qiáng)度超過(guò)一定值時(shí)，它就可以通過(guò)與傳播超聲波的媒質(zhì)的相互作用，去影響，改變以致破壞后者的狀態(tài)，性質(zhì)及結(jié)構(gòu)（用作治療）。 超聲波的發(fā)展史: 一、國(guó)際方面： 自19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，在物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之后，人們解決了利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法，從此迅速揭開(kāi)了發(fā)展與推廣超聲技術(shù)的歷史篇章。 1922年，德國(guó)出現(xiàn)了首例超聲波治療的發(fā)明專利。 1939年發(fā)表了有關(guān)超聲波治療取得臨床效果的文獻(xiàn)報(bào)道。 40年代末期超聲治療在歐美興起，直到1949年召開(kāi)的第一次國(guó)際醫(yī)學(xué)超聲波學(xué)術(shù)會(huì)議上，才有了超聲治療方面的論文交流，為超聲治療學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1956年第二屆國(guó)際超聲醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議上已有許多論文發(fā)表，超聲治療進(jìn)入了實(shí)用成熟階段。 二、國(guó)內(nèi)方面： 國(guó)內(nèi)在超聲治療領(lǐng)域起步稍晚，于20世紀(jì)50年代初才只有少數(shù)醫(yī)院開(kāi)展超聲治療工作，從1950年首先在北京開(kāi)始用800KHz頻率的超聲治療機(jī)治療多種疾病，至50年代開(kāi)始逐步推廣，并有了國(guó)產(chǎn)儀器。公開(kāi)的文獻(xiàn)報(bào)道始見(jiàn)于1957年。到了70年代有了各型國(guó)產(chǎn)超聲治療儀，超聲療法普及到全國(guó)各大型醫(yī)院。 40多年來(lái)，全國(guó)各大醫(yī)院已積累了相當(dāng)數(shù)量的資料和比較豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)。特別是20世紀(jì)80年代初出現(xiàn)的超聲體外機(jī)械波碎石術(shù)和超聲外科，是結(jié)石癥治療史上的重大突破。如今已在國(guó)際范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。高強(qiáng)度聚焦超聲無(wú)創(chuàng)外科，已使超聲治療在當(dāng)代醫(yī)療技術(shù)中占據(jù)重要位置。而在21世紀(jì)(HIFU)超聲聚焦外科已被譽(yù)為是21世紀(jì)治療腫瘤的最新技術(shù)。 超聲波治病機(jī)理: 1．機(jī)械效應(yīng)：超聲在介質(zhì)中前進(jìn)時(shí)所產(chǎn)生的效應(yīng)。（超聲在介質(zhì)中傳播是由反射而產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)）它可引起機(jī)體若干反應(yīng)。超聲振動(dòng)可引起組織細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，由于超聲的細(xì)微按摩，使細(xì)胞漿流動(dòng)、細(xì)胞震蕩、旋轉(zhuǎn)、摩擦、從而產(chǎn)生細(xì)胞按摩的作用，也稱為“內(nèi)按摩”這是超聲波治療所獨(dú)有的特性，可以改變細(xì)胞膜的通透性，刺激細(xì)胞半透膜的彌散過(guò)程，促進(jìn)新陳代謝、加速血液和淋巴循環(huán)、改善細(xì)胞缺血缺氧狀態(tài)，改善組織營(yíng)養(yǎng)、改變蛋白合成率、提高再生機(jī)能等。使細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致細(xì)胞的功能變化，使堅(jiān)硬的結(jié)締組織延伸，松軟。 超聲波的機(jī)械作用可軟化組織，增強(qiáng)滲透，提高代謝，促進(jìn)血液循環(huán)，刺激神經(jīng)系統(tǒng)和細(xì)胞功能，因此具有超聲波獨(dú)特的治療意義。 2．溫?zé)嵝?yīng)：人體組織對(duì)超聲能量有比較大的吸收本領(lǐng)，因此當(dāng)超聲波在人體組織中傳播過(guò)程中，其能量不斷地被組織吸收而變成熱量，其結(jié)果是組織的自身溫度升高。 產(chǎn)熱過(guò)程既是機(jī)械能在介質(zhì)中轉(zhuǎn)變成熱能的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。即內(nèi)生熱。超聲溫?zé)嵝?yīng)可增加血液循環(huán)，加速代謝，改善局部組織營(yíng)養(yǎng)，增強(qiáng)酶活力。一般情況下，超聲波的熱作用以骨和結(jié)締組織為顯著，脂肪與血液為最少。 3．理化效應(yīng)：超聲的機(jī)械效應(yīng)和溫?zé)嵝?yīng)均可促發(fā)若干物理化學(xué)變化。實(shí)踐證明一些理化效應(yīng)往往是上述效應(yīng)的繼發(fā)效應(yīng)。TS-C型治療機(jī)通過(guò)理化效應(yīng)繼發(fā)出下列五大作用： A.彌散作用：超聲波可以提高生物膜的通透性，超聲波作用后，細(xì)胞膜對(duì)鉀，鈣離子的通透性發(fā)生較強(qiáng)的改變。從而增強(qiáng)生物膜彌散過(guò)程，促進(jìn)物質(zhì)交換，加速代謝，改善組織營(yíng)養(yǎng)。 B.觸變作用：超聲作用下，可使凝膠轉(zhuǎn)化為溶膠狀態(tài)。對(duì)肌肉，肌腱的軟化作用，以及對(duì)一些與組織缺水有關(guān)的病理改變。如類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎病變和關(guān)節(jié)、肌腱、韌帶的退行性病變的治療。 C.空化作用：空化形成，或保持穩(wěn)定的單向振動(dòng)，或繼發(fā)膨脹以致崩潰，細(xì)胞功能改變，細(xì)胞內(nèi)鈣水平增高。成纖維細(xì)胞受激活，蛋白合成增加，血管通透性增加，血管形成加速，膠原張力增加。 D.聚合作用與解聚作用：水分子聚合是將多個(gè)相同或相似的分子合成一個(gè)較大的分子過(guò)程。大分子解聚，是將大分子的化學(xué)物變成小分子的過(guò)程?？墒龟P(guān)節(jié)內(nèi)增加水解酶和原酶活性增加。 E.消炎，修復(fù)細(xì)胞和分子：超聲作用下，可使組織PH值向堿性方面發(fā)展。緩解炎癥所伴有的局部酸中毒。超聲可影響血流量，產(chǎn)生致炎癥作用，抑制并起到抗炎作用。使白細(xì)胞移動(dòng)，促進(jìn)血管生成。膠原合成及成熟。促進(jìn)或抑制損傷的修復(fù)和愈合過(guò)程。從而達(dá)到對(duì)受損細(xì)胞組織進(jìn)行清理、激活、修復(fù)的過(guò)程。 換能器將超聲頻電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)并通過(guò)清洗槽壁向盛在槽中的清洗液輻射超聲波。存在于液體中的微氣泡(稱為空化核)在聲波的作用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓或聲強(qiáng)達(dá)到一定值時(shí)，氣泡迅速增長(zhǎng)，然后突然閉合。在氣泡閉合時(shí)，產(chǎn)生沖擊波，在氣泡周圍產(chǎn)生1012～1013Pa的壓力及局部高溫，這種物理現(xiàn)象稱為超聲空化?？栈a(chǎn)生的巨大壓力能破壞不溶性污物而使它們分散于溶液中。蒸汽型空化對(duì)污垢層的直接反復(fù)沖擊，一方面破壞污物與清洗件表面的吸附，另一方面也會(huì)引起污物層的疲勞破壞而脫離。氣體型氣泡的振動(dòng)對(duì)固體表面進(jìn)行擦洗，污層一旦有縫可鉆，氣泡還能“鉆入”裂縫作振動(dòng)，使污層脫落。由于空化作用，兩種液體在界面迅速分散而乳化，當(dāng)固體粒子被油污裹著而粘附在清洗件表面時(shí)，油被乳化，固體粒子自行脫落。超聲在清洗液中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生正負(fù)交變的聲壓，沖擊清洗件，同時(shí)由于非線性效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生聲流和微聲流，而超聲空化在固體和液體界面上會(huì)產(chǎn)生高速的微射流，所有這些作用能夠破壞污物，除去或削弱邊界污層，增加攪拌、擴(kuò)散作用，加速可溶性污物的溶解，強(qiáng)化化學(xué)清洗劑的清洗作用。由引可見(jiàn)，凡是液體能浸到、聲場(chǎng)存在的地方都有清洗作用，而且清洗速度快、質(zhì)量高，特別適用于清洗件表面形狀復(fù)雜，如空穴、狹縫等的細(xì)致清洗，易于實(shí)現(xiàn)清洗自動(dòng)化。在某些場(chǎng)合下可以用水劑代替有機(jī)溶劑進(jìn)行清洗，或降低酸堿的濃度，對(duì)于一些有損人體健康的清洗，如清洗放射性污物可以實(shí)現(xiàn)遙控或自動(dòng)化清洗。超聲清洗也有其局限性，例如對(duì)聲反射強(qiáng)的材料如金屬、陶瓷和玻璃等清洗效果好，而對(duì)聲吸收大的材料如布料、橡膠以及粘度大的污物清洗效果差。 超聲清洗始于本世紀(jì)50年代初，隨著技術(shù)的進(jìn)步應(yīng)用日益擴(kuò)大。目前已廣泛地用于電子電器工業(yè)，清洗半導(dǎo)體器件、電子管零件、印刷電路、繼電器、開(kāi)關(guān)和濾波器等；機(jī)械工業(yè)中用于清洗齒輪、軸承、油泵油嘴偶件、燃油過(guò)濾器、閥門(mén)及其它機(jī)械零件，大如發(fā)動(dòng)機(jī)及導(dǎo)彈部件，小如手表零件；在光學(xué)和醫(yī)療器械方面用于清洗各種透鏡、眼鏡及框、醫(yī)用玻璃器皿、針管和手術(shù)器具等；輕紡工業(yè)中用來(lái)清洗噴絲頭，食品瓶、蓋，模具及雕刻工藝品等等。 上面所舉的超聲清洗例子，一般都用20～40kHz的低頻超聲，近年來(lái)美國(guó)發(fā)展了一種稱為Megasoniccleaning的技術(shù)，即用1MHz高頻超聲來(lái)清洗大規(guī)模集成電路，能除去小于1μm的污物，此時(shí)清洗的機(jī)理不是超聲空化，而主要是粒子的振速及聲流。90年代美國(guó)Crest公司聲稱他們發(fā)明用68kHz的超聲清洗軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，效率比用40kHz高一倍。? 我國(guó)超聲清洗在下面幾個(gè)方面取得較有成效的應(yīng)用： 1)機(jī)械零部件在電鍍前后的清洗或噴涂前的清洗，拆修零件的清洗。要求高清潔度如油泵油嘴偶件、軸承的清洗。 2)印刷電路板、硅片、鐵路系統(tǒng)用的信號(hào)控制繼電器、元器件、顯像管及電真空器件等的清洗。 3)顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等光學(xué)系統(tǒng)及取樣玻璃片的清洗。 4)醫(yī)用器具如口腔和外科器械的清洗，藥瓶及某些食品瓶、配藥室、生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中所用瓶罐的清洗。 5)噴絲頭、眼鏡架、模具、雕刻工藝品等的清洗。 最近發(fā)展起來(lái)的汽車底盤(pán)架的超聲清洗，配合專用清洗液，將除銹、去氧化膜及磷化一次清洗處理完成，烘干后即可噴漆，克服過(guò)去人工擦銹、強(qiáng)酸清洗工藝的特點(diǎn)，既改善勞動(dòng)條件又減少環(huán)境污染。 超聲清洗設(shè)備有兩大類：一類是以水溶液作為清洗劑的設(shè)備，這類設(shè)備包括超聲頻電功率源，超聲換能器及相應(yīng)的超聲容器和電加熱器；一種是單槽式的，另一種是多槽(多工位)連續(xù)清洗設(shè)備，時(shí)常帶有定時(shí)及自動(dòng)輸送裝置。另一類是以揮發(fā)性有機(jī)溶液，如三氯乙烯、三氯乙烷和氟里昂等作為清洗劑，這類設(shè)備除了上述各組成部分外，還需要有冷凝循環(huán)、油水分離及過(guò)濾回收有機(jī)溶液的附加設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)外主要生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)各種專用清洗設(shè)備、在線生產(chǎn)的成套設(shè)備。也生產(chǎn)臺(tái)式、小巧的清洗設(shè)備，如醫(yī)用清洗器及小型的首飾眼鏡家用清洗器。 超聲頻率一般在20～50kHz，小型設(shè)備的電功率只有幾天，大型成套設(shè)備達(dá)幾十千瓦到上百千瓦。超聲換能器50～60年代大多采用磁致伸縮換能器，目前大多采用高效率的壓電換能器；超聲頻電功率源過(guò)去用電子管器件，目前已被淘汰而采用固態(tài)器件，用這種器件制作的設(shè)備效率高而體積小，利用組合結(jié)構(gòu)，功率可以做得很大，為大功率超聲的擴(kuò)大應(yīng)用創(chuàng)造了良好的條件。 美國(guó)生產(chǎn)超聲清洗設(shè)備的公司大約有40多家，比較有名的約有10家，西歐國(guó)家生產(chǎn)清洗設(shè)備的主要是英、法、德及瑞士等國(guó)。我國(guó)超聲清洗設(shè)備的主要廠商約有10家，小規(guī)模個(gè)體公司不計(jì)其數(shù)。 國(guó)外廠商很注重化學(xué)清洗劑的配套供應(yīng)及清洗工藝的咨詢服務(wù)，而這正是國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠商最欠缺的，國(guó)內(nèi)廠商主要考慮超聲清洗設(shè)備的生產(chǎn)，很少有專門(mén)的部門(mén)從事清洗劑的研制以適應(yīng)不同清洗對(duì)象的需要。如果能將超聲清洗設(shè)備和化學(xué)清洗劑很好地結(jié)合起來(lái)定會(huì)取得更好的效果，因?yàn)槌暻逑吹闹饕锢頇C(jī)制是超聲的空化現(xiàn)象，而空化強(qiáng)度除與超聲功率密度、頻率等有關(guān)外，還與清洗液的粘滯系數(shù)、表面張力、蒸汽壓和溫度等參數(shù)有關(guān)。目前從環(huán)境保護(hù)角度要求以水基清洗劑代替有機(jī)溶劑進(jìn)行超聲清洗，而國(guó)內(nèi)許多廠家尚未能適應(yīng)這種挑戰(zhàn)，還需要多方面的合作開(kāi)發(fā)。