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超音波技術

原理概論 :

應用:

  1. 工業用
  2. 家電
  3. 醫學
  4. 其它
原理概論

 

1 何謂超音波:

  • 人的耳朵可以聽得的到稱為「聽音」,約為「20~20KHz」,頻率高於此音波則稱為超音波。但在工程技術上的定義不一樣,凡是利用音波的特性來傳遞信息or處理相關的物質時,全都稱為超音波。
    目前常被使用的超音波頻率範圍為數KHz ~ MHz,可依功能及使用特性,來決定使用的頻率為何。


    超音波清洗機的示意圖如下所示:

振盪子把高週波電力,轉變成機械振動的能量,給負載供給振動功率。機械振動頻率常因負載的變動、振動系統的溫度變化等原因,要適當的偵測其最佳的變化,將其回饋到振盪系統,自動將振盪頻率調整為最佳效率振動,此即為「頻率自動追踪型主機」。
在功率輸出switch電路中,使用高功率的功率晶體(一般使用BJT、MOSFET、IGBT),晶體在工作時,會產生大量的熱能,所以除了良好的散熱器之外,還需要晶體溫度保護,以確保機械使用壽命。

2 超音波清洗:

超音波的應用於清洗的原理主要有三:

1.空洞現象:
一般發生在較低頻的週波上。超音波振動對液體瞬間造成「增壓」及「減壓」,反覆的動作會產生幾近真實的空洞,取入溶於液體的氣體成為氣泡,稱為空洞現象。該氣泡被大力壓縮消滅時,會以強大的衝擊波直接破碎附著於被洗淨物的固體性污物。此為超音波洗淨力的根源。洗淨液通常是溫度愈高時,洗淨效果愈好,所以洗淨槽的液溫度高於常溫。洗淨液接近沸點時,會產生大量氣泡,會使超音波力量衰減。

2.百萬赫:
超音波頻率輸出約為800KHz以上,一般用來清洗高精密的產品,如晶片洗淨、TFT玻璃洗淨…等。百萬赫帶的超音波有下示特色:

  • 可除去亞微米粒子。
  • 不發生空洞,不會傷及被洗淨物。
  • 波長短、無駐波影響,可得均勻的洗淨效果。

3.駐波:
超音波洗淨的另一個特性--駐波,如圖所示,超音波從槽底面沿垂直方向傳到液面,入射波與反射波重合,形成不行進的音波,此稱駐波。在駐波產生的位置約為液面起λ/4之奇數倍,其洗淨力最大,最適合洗淨的位置,要得到工作全面性洗淨效果,需要將工件擺動or使用掃頻功能的超音波產生器。

 

3 超音波霧化

液體中的超音波振動力量、音的放射壓、週波數(頻率)增高,音壓以指向性集中,可以將水面往上推形成液柱。液柱最上方的表面液體受到大能量的影響,相互衝撞、拉斷液體的表面張力,使液體微粒子化,飛散於空中,此即為霧化的原理。一般應用在加濕器、呼吸器官疾病治療(藥液霧化)、精油揮發機等。

 

4 超音波馬達

利用約20KHz以上高頻率機械振動的摩擦驅動式馬達。可分為線形馬達及旋轉形馬達。其有電氣機械變換效率高、扭力大特、位移量可精密控制等優點,其缺點為轉速慢、單價高。目前有很多學者在研究其相關特性及應用範圍,每年都有不同的論文產生。

5 超音波萃取

原理

當超音波在萃取液中傳播時,利用超音波高速震盪、疏密有秩的特性,超音波振動對液體瞬間造成「增壓」及「減壓」,推動介質,產生空穴效應(cavitation)。當萃取液中無數細小的真空氣泡爆裂時,產生瞬間高溫及強大衝擊力,以致於可以將萃取物之成份分離,而達到萃取的效果。  

萃取功能

超音波促進萃取提供一個改良傳統溶劑萃取的缺點,減少處理時間和溶劑使用量並得到高產率。主要功能在低溫下操作,以減少溫度所造成的熱損失,亦可避免低沸點物質揮發及保持生物的活性物質。由於超音波頻率高時,波長短,穿透力強,因此能使萃取液達到充分混合接觸,增加萃取效果。

 

細緻化功能

超音波在細緻化過程,所產生的分子可在短時間內使Hz數值之分子團變小,Hz數值越低,分子連結數小、鏈結短,其分子因越小,滲透性、溶解度、含氧量提高,可利於人體吸收、利用、幫助體養份吸收,加速新陳代謝。

 

                                               molecule-cn

 

應用

採用超音波低溫水萃方法,能保持生物的活性物質,讓人體更容易吸收。隨著醫藥技術的成熟發達,人們更熱衷從天然物中開發新的中草藥製劑及提煉出新的藥物,應用高效能、高能量的超音波萃取技術,可從多種中草藥、有機植物…等,萃取出包括各種生物鹼、多醣類、蛋白質、葉綠素等具有生物活性的物質,多應用於中草藥化妝品、漢方保養品、草本植物精華等保健養生食品、醫學製藥、生物科技。

 

近年來,大眾對於養生的重視需求下,注重中草藥、健康食品的保健和抗癌新藥的尋求,漸進式的捨棄傳統水萃或蒸煮法方式而改用超音波低溫水萃法,以達到在低溫條件下,用最短時間及最經濟的操作得到最佳的產品回收率,超音波低溫水萃法將是個不錯的選擇。

 

 

超音波萃取實證

應用


1
工業:

  • 單槽、多槽式超音波清洗設備
  • 半自動超音波清洗設備
  • 全自動超音波清洗設備
  • 列表機噴頭清洗機
  • 電鍍、電解設備
  • 溶劑型超音波清洗設備

2家電:

  • 超音波洗衣機:
    目前國內家電廠商,如聲宝、東元等都有生產超音波洗衣機。其利用超音波在水中的空洞效應,使洗衣劑在水中充分的發振效用,有效的清洗衣物。
  • 多功能清洗機:
    市面上可看到多種的小型家用清洗機,一般用來清洗眼鏡、首飾、CD、DVD片、金屬錶帶..等小物品。可依狀況可加入少量洗潔劑,加強清洗效果。
  • 廚器用器清洗機:
    主要清洗各式常用刀叉難清洗的死角。
  • 假牙、牙套清洗專用機:
    專門清洗假牙的小型超音波,可配合市售的清洗錠(劑)效果更佳。

 

3 醫學

超音波洗牙機:

超音波在牙科治療開始用於除去牙石、充填汞合金。頻率常用25~40KHz尖端的振動位移最大100um,利用高速且微小的振動除去牙垢,不會過度傷害到牙質,目前比較不痛的高效率治療方式。

 

 

呼吸道藥物霧化機:

利用超音波霧化液體的特性,將藥水打成細小的水分子,再利用小風扇將霧化的藥水分子吹到機械外部,讓病患由口、鼻吸到呼吸道or肺部,以求有效的治療。

 

 

4 其它應用: