功率超聲是超聲學的一個重要分支，主要研究大功率和高強度超聲的產生、 強超聲在媒質中的傳播規律、強超聲和物質的相互作用，是以物理、機械振動、電子、材料等學科為基礎的高新技術之一。它是以超聲能量使物體或物性的某些狀態變化的應用技術。在國民經濟建設中對提高產品質量、降低生產成本、 防止環境污染、提高生產效率等具有特殊的潛在能力。半世紀以來功率超聲不僅在基礎研究上取得了許多重要成果，其新設備在國民經濟建設中發揮了重要作用， 也促使有關功率超聲技術的機理及應用技術研究有了較大發展。
功率超聲技術
- 功率超聲技術研究現狀
換能器及變幅桿的發展概況
法國科學家 P.Langevin 發明的鋼-石英 - 鋼結構的夾心壓電換能器在產生低頻大功率超聲設備上取得重大進展。W P.Mason 發明了變幅桿，它與壓電換能器連接而獲得高強度超聲，開創了功率超聲在固體媒質中的應用。 在換能器理論方面，他首先提出等效網絡分析法，近年來在此基礎上發展了傳輸矩陣方法用于復雜結構的一維縱振分析。20 世紀50年 代IT Mepkyob 等提出懸鏈線型變幅桿及由多級組合的變幅桿，擴展了變幅桿類型。20 世紀 60 年代E Eisner 提出形狀因素的概念，發展了 一種應力沿桿件均勻分布的高斯型變幅桿，獲得了很高的位移振幅。在 20 世紀70 年代森榮司提出表觀彈性法，分析二維振動問題。目前發展有限元及邊界元方法分析三維振動問題。 我國于 20 世紀50 年代初開始研究磁致伸縮換能器壓電換能器。 20 世紀60 年代后集中研究夾心式壓電換能器，利用等效網絡方法建立一維理論。提出決定換能器最大效率的參量，指出換能器的最佳設計方向，提出一種新型可調頻率換能器。20 世紀70~80年代發展并提出 2種新型功率超聲換能器。一種是半穿孔結構寬頻帶壓電換能器；另一 種是雙向輻射換能器，用于超聲乳化設備。20 世紀80 年代初首次用復變數解析映像理論研究了有負載的變幅桿，建立有負載變幅桿的阻抗映像圖。20 世紀 90 年代以來開展了大尺寸壓電換能器的二維分析及彎曲振動、扭轉振動和復合振動的壓電換能器設計計算，為這類換能器在工業方面的應用奠定基礎。20 世紀 90 年代以來研究了大尺寸單一和復合變幅器的二維振動。
功率超聲發生器的發展概況
最早的超聲發生器是1883年FGalton 發明的氣哨。20世紀 80 年代中期用大功率高頻開關晶體管替代了電子管的發生器出現。放大器形式大多以自激 D類半橋或全橋為主，之后他激式的大功率模塊放大器也不斷出現，但是許多電路中都設有頻率自動跟蹤、過壓、過流、相位差保護電路，部分還設有匹配指示電路。近來還研制出頻率、功率、保護電平等參數能自動調整微機控制的超聲波發生器，使功率超聲設備向自動化道路前進了一大步。目前我國功率超聲發生器已研制出頻率從十幾 kHz 到幾個 MkHz，功率從幾十w到幾十 kw應用在各類超聲波設備上。1997 年馬智龍，丁玉薇研制成功程控功率超聲發生器，采用單片機控制的頻率合成，數據采集，并對工作頻段進行程序監控等技術。 2002 年華北電力大學劉麗華，顧煜炯研制了一種智能化功率超聲發生器：2005年鄭書友，徐西鵬分析了自動頻率跟蹤原理研制出超聲加工中發生器的頻率跟蹤技術，并闡述其在超聲加工中的實現方式。 當前發生器急需解決的關鍵技術問題:
①輸出頻率穩定的電信號；
②采用高效率、帶保護的功率放大器；
③具有良好的阻抗匹配網絡，實現最大功率傳輸；
④靈敏的頻率自動跟蹤；
超聲換能器材料的發展概況
1998 年ETREMA products 公司用 terfenol-D磁致合金設計研制出一種固溶單晶，其應變大于 1.7%，比 PZT 大一個數量級，且耦合系數達94%。利用硅單晶制作變幅器，用于微型霧化器，工作在 72kHz時振幅大約 50um。硅的特點是極限應變高，S.c(S為極限應變 c 為材料聲速)比合金高 8 倍，聲損耗低，熱傳導好。用于超聲外科器械，微泵及其它高振幅的微機電系統很有前途。利用形狀記憶合金 ( Cu - A-Me)作變幅桿，具有較高的疲勞壽命及抗空化腐蝕性能。目前對換能器材料的研究主要集中在壓電復合材料，壓電薄膜無鉛壓電陶瓷，納米陶瓷等新型材料。壓電復合材料研究主要集中在美國、日本德國、南韓等發達國家，其中日本的研究工作比較突出。
- 功率超聲技術應用研究
功率超聲的應用原理主要由大功率超聲電源和換能振動系統兩部分共同組成的處理系統，其應用效果的好壞依賴于這兩方面基礎技術的雙重突破，圖1為典型功率超聲處理系統的組成框圖。
超聲加工技術
超聲加工是利用加工工具作超聲振動并通過磨料沖擊被加工工件來粉碎、消除材料的技術，它具有傳統機械加工不可比擬的優異工藝效果。超聲加工的特點:
①被加工材料不受導電性能限制，特別適合于加工硬脆材料。如玻璃、 陶瓷、硅錯、寶石等；
②加工形狀不限于圓孔，可以加工各種復雜形狀的L型腔、深孔等；
③對工件的宏觀作用力小，熱影響小，不會產生殘留應力；
④加工速度、加工精度、表面光潔度和表面質量高；
⑤可顯著減小切削力和功耗，延長工具壽命。目前，超聲加工在超精密零件和難加工材料的加工中得到廣泛應用其中超聲振動切削的研究近年來取得較大進展，已發展成為制造宇航、計算機和激光等部件的一種超精密加工技術，受到先進工業國家的重視。美、日、俄、法和英等國在許多高等院校和公司都競相進行研究和開發并逐漸得到應用。其中振動切削尤其被關注，超聲振動切削包括：車、銼、鉆孔和攻絲等它是利用超聲振動激勵刀具改善切削性能的切削方法，其優點是能提高切削速度、減小切削力( 切削力只有普通方法的1/3~1/20)和功耗、 延長工具壽命、提高加工精度、提高表面光潔度和表面質量， 是一種很有前途的加工方法。
超聲懸浮
超聲懸浮是在重力空間利用強駐波聲場中的輻射壓力與固體、液體微粒或生物細胞的重力相平衡，而使其穩定懸浮在聲場中或在空中移動的技術。利用超聲懸浮技術可以用較少的設備實現一種無明顯機械接觸的理想實驗環境來研究液體和生物媒質的力學性質，如液體分界面的表面張力、液體的粘滯性，測量微量液體或生物組織的絕熱壓縮系數等；可用于制造高質量的半導體品體、遠紅外透光新玻璃等。 另外，超聲懸浮技術還可以模擬空間環境中各種效應的無容器狀態。在聲懸浮技術研究中，研究問題的關鍵在于如何產生一個大功率高穩定性及可以控制懸浮力、物體移動方向及位置的聲場在空氣中可以利用夾心式縱向換能器激發彎曲振動圓形或矩形輻射板產生高強度空氣聲場，在液體中的聲懸浮裝置包括底部裝有活塞聲源的管形聲場等。 在懸浮聲場中，被懸浮物體穩定于聲場中的聲壓節點處，通過改變超聲的頻率及反射板的位置可移動懸浮物體來進行力學性能研究。
超聲清洗
超聲波清洗主要利用超聲空化作用，在聲場作用下存在于液體中的微氣泡會產生高頻振動，當聲壓達到一定值時氣泡迅速增長然后突然閉合，瞬時產生激波，能在其周圍產生上千個大氣壓力和幾千度的高溫，足以破壞不溶性污物而使它們分散于溶液中。一方面能破壞污物與被清洗表面之間的吸附；另一方面引起污物層的疲勞破壞而脫離，氣體型空化能對固體表面進行擦洗。清洗效果的好壞要選擇一個適當的功率與頻率，清洗液的溫度，清洗物品的安放位置及清洗溶液的選擇都有一定關系。目前廣泛使用單一頻率的清洗機，由于駐波場的存在，造成清洗不均勻，對于有大量污垢的零件一般先用浸、噴、沖等方法進行預清洗，然后超聲清洗效果較好。
超聲治療
超聲治療的生物物理基礎包括機械作用、熱作用、物理效應、化學效應、生物效應及空化效應等，超聲的機械效應是原發效應。盡管目前超聲診斷的應用范圍比超聲治療范圍寬得多，但超聲波在醫學中的應用最早從超聲治療開始，截至目前超聲治療的應用范圍包括呼吸系統、消化系統、循環系統神經系統、肌肉損傷、勞損、肩、頸、腰 腿痛及睫鞘疾病和骨關節等病。超聲的作用主要是消炎、止痛等。基本屬于超聲理療范圍。除此以外，超聲外科也得到了很大發展，如超聲外科手術、超聲治療癌癥、超聲溶血栓、超聲粉碎結石、超聲針灸、 超聲粉碎脂肪減肥、超聲穴位治療及超聲潔牙等。
超聲馬達
超聲馬達的概念誕生于 20 世紀 60 年代，80年代以后得到迅速發 展，與電磁馬達不同，超聲馬達是通過超聲換能器將電能轉換為某種模式的機械振動，然后通過定子與轉子間的摩擦力使轉子運動。超聲馬達的優點是轉速低、轉矩大、體積小、重量輕、應答速度快、定位精度高、功率密度大、無電磁干擾及便于控制等。超聲馬達的這些特點使其在精密定位、自動控制和測量方面包括機器人、計算機、儀器儀表、照相機及其它高技術領域都具有廣闊的應用前景。目前，超聲馬達的研究仍限于實驗室階段，主要研究工作包括定子的振動模式、定子的振動與轉子運動之間。
聲空化和聲化學
聲化學是指利用超聲波加速化學反應的新方法，促使液體中空腔的形成、振蕩、生長收縮及崩潰，并引發物理和化學變化，集中聲場能量并迅速釋放的過程。其基礎還是聲空化效應，并非聲能與物質的直接相互作用，它在合成化學、聚合化學、電化學、境化學等方面的研究已取得了很大進展。聲空化在液體中造成局部高溫高壓的物理環境，這無疑會促進化學反應，已引起化學界的極大興趣。聲化學這一學科剛出現，就受到了聲學界和化學界人士的高度重視，歐洲及美國科學家幾乎每年都召開關于聲化學方面的學術研討會，并于1994年創 辦了國際《超聲化學》雜志，聲化學崛起不僅引起學術界的關注，也激起了企業界的強烈興趣。
超聲霧化
超聲霧化是利用超聲能量使液體形成微細霧滴的過程。有2種方式: ①處于振動表面的薄液層在超聲振動作用下激起毛細重力渡，當振動面振幅達到一定值時，液滴即從駐波峰上飛出而形成霧狀，霧滴的直徑大小與超聲振動的頻率及液體的物理參數有關，可通過改變超聲頻率來控制霧滴大小； ②超聲噴泉成霧，在液體一定深度，通過強超聲朝液面輻射而形成噴泉霧化。目前，超聲霧化得到了普遍應用，例如醫療上，采用超聲霧化吸入療法，將藥物直接作用于病處，因而藥物濃度高，療效顯著；在工業上，用于燃油霧化，可改善燃燒，提高燃燒效率；在日常生活中，用于增加室內濕度。
其他應用
功率超聲在環保工作中，可利用超聲的凝集、萃取作用處理含油污水，分離油水和固體微粒，與臭氧聯合作用可凈化飲用水。在石油工業中，利用超聲除銹對石油管道部件進行抗銹保養，作為油管進行橡膠或塑料包敷前的去銹預處理在金屬試驗中，超聲空化腐蝕可用來加速測試金屬的抗腐蝕性能，另外超聲高頻振動用于金屬疲勞強度的測試，縮短試驗時間。除此之外，功率超聲技術在家電中的應用還有許多，如超聲洗面器、超聲凈牙器、超聲牙刷、超聲洗碗機、超聲消毒器、超聲驅蚊器等。
功率超聲技術屬高科技領域，它涉及到振動與聲、電子與機械、材料等多方面技術。 隨著科學技術的發展，它必將發揮越來越大的作用。 然而，功率超聲的各種應用發展并不平衡， 一種新的功率超聲技術能否很快從實驗室走向工業化， 取決于它的經濟性和可替代性。 功率超聲處理技術是否具有其它技術所不能取代的優點， 能否比其它技術更為經濟方便，這往往是決定某種超聲處理應用是否有發展前途的因素， 為此必須了解和研究各種應用中的作用機制。 在功率超聲技術研究中，智能化大功率超聲發生器、 大功率換能器材料及結構、超聲振動系統設計與測量方法等， 仍是今后的研究熱點。 隨著相關學科的發展，功率超聲將進一步發揮出獨特的優越性， 也在更廣泛的領域中得到應用。