功率超声是超声学的一个重要分支，主要研究大功率和高强度超声的产生、 强超声在媒质中的传播规律、强超声和物质的相互作用，是以物理、机械振动、电子、材料等学科为基础的高新技术之一。它是以超声能量使物体或物性的某些状态变化的应用技术。在国民经济建设中对提高产品质量、降低生产成本、 防止环境污染、提高生产效率等具有特殊的潜在能力。半世纪以来功率超声不仅在基础研究上取得了许多重要成果，其新设备在国民经济建设中发挥了重要作用， 也促使有关功率超声技术的机理及应用技术研究有了较大发展。
功率超声技术
- 功率超声技术研究现状
换能器及变幅杆的发展概况
法国科学家 P.Langevin 发明的钢-石英 - 钢结构的夹心压电换能器在产生低频大功率超声设备上取得重大进展。W P.Mason 发明了变幅杆，它与压电换能器连接而获得高强度超声，开创了功率超声在固体媒质中的应用。 在换能器理论方面，他首先提出等效网络分析法，近年来在此基础上发展了传输矩阵方法用于复杂结构的一维纵振分析。20 世纪50年 代IT Mepkyob 等提出悬链线型变幅杆及由多级组合的变幅杆，扩展了变幅杆类型。20 世纪 60 年代E Eisner 提出形状因素的概念，发展了 一种应力沿杆件均匀分布的高斯型变幅杆，获得了很高的位移振幅。在 20 世纪70 年代森荣司提出表观弹性法，分析二维振动问题。目前发展有限元及边界元方法分析三维振动问题。 我国于 20 世纪50 年代初开始研究磁致伸缩换能器压电换能器。 20 世纪60 年代后集中研究夹心式压电换能器，利用等效网络方法建立一维理论。提出决定换能器最大效率的参量，指出换能器的最佳设计方向，提出一种新型可调频率换能器。20 世纪70~80年代发展并提出 2种新型功率超声换能器。一种是半穿孔结构宽频带压电换能器；另一 种是双向辐射换能器，用于超声乳化设备。20 世纪80 年代初首次用复变数解析映像理论研究了有负载的变幅杆，建立有负载变幅杆的阻抗映像图。20 世纪 90 年代以来开展了大尺寸压电换能器的二维分析及弯曲振动、扭转振动和复合振动的压电换能器设计计算，为这类换能器在工业方面的应用奠定基础。20 世纪 90 年代以来研究了大尺寸单一和复合变幅器的二维振动。
功率超声发生器的发展概况
最早的超声发生器是1883年FGalton 发明的气哨。20世纪 80 年代中期用大功率高频开关晶体管替代了电子管的发生器出现。放大器形式大多以自激 D类半桥或全桥为主，之后他激式的大功率模块放大器也不断出现，但是许多电路中都设有频率自动跟踪、过压、过流、相位差保护电路，部分还设有匹配指示电路。近来还研制出频率、功率、保护电平等参数能自动调整微机控制的超声波发生器，使功率超声设备向自动化道路前进了一大步。目前我国功率超声发生器已研制出频率从十几 kHz 到几个 MkHz，功率从几十w到几十 kw应用在各类超声波设备上。1997 年马智龙，丁玉薇研制成功程控功率超声发生器，采用单片机控制的频率合成，数据采集，并对工作频段进行程序监控等技术。 2002 年华北电力大学刘丽华，顾煜炯研制了一种智能化功率超声发生器：2005年郑书友，徐西鹏分析了自动频率跟踪原理研制出超声加工中发生器的频率跟踪技术，并阐述其在超声加工中的实现方式。 当前发生器急需解决的关键技术问题:
①输出频率稳定的电信号；
②采用高效率、带保护的功率放大器；
③具有良好的阻抗匹配网络，实现最大功率传输；
④灵敏的频率自动跟踪；
超声换能器材料的发展概况
1998 年ETREMA products 公司用 terfenol-D磁致合金设计研制出一种固溶单晶，其应变大于 1.7%，比 PZT 大一个数量级，且耦合系数达94%。利用硅单晶制作变幅器，用于微型雾化器，工作在 72kHz时振幅大约 50um。硅的特点是极限应变高，S.c(S为极限应变 c 为材料声速)比合金高 8 倍，声损耗低，热传导好。用于超声外科器械，微泵及其它高振幅的微机电系统很有前途。利用形状记忆合金 ( Cu - A-Me)作变幅杆，具有较高的疲劳寿命及抗空化腐蚀性能。目前对换能器材料的研究主要集中在压电复合材料，压电薄膜无铅压电陶瓷，纳米陶瓷等新型材料。压电复合材料研究主要集中在美国、日本德国、南韩等发达国家，其中日本的研究工作比较突出。
- 功率超声技术应用研究
功率超声的应用原理主要由大功率超声电源和换能振动系统两部分共同组成的处理系统，其应用效果的好坏依赖于这两方面基础技术的双重突破，图1为典型功率超声处理系统的组成框图。
超声加工技术
超声加工是利用加工工具作超声振动并通过磨料冲击被加工工件来粉碎、消除材料的技术，它具有传统机械加工不可比拟的优异工艺效果。超声加工的特点:
①被加工材料不受导电性能限制，特别适合于加工硬脆材料。如玻璃、 陶瓷、硅错、宝石等；
②加工形状不限于圆孔，可以加工各种复杂形状的L型腔、深孔等；
③对工件的宏观作用力小，热影响小，不会产生残留应力；
④加工速度、加工精度、表面光洁度和表面质量高；
⑤可显著减小切削力和功耗，延长工具寿命。目前，超声加工在超精密零件和难加工材料的加工中得到广泛应用其中超声振动切削的研究近年来取得较大进展，已发展成为制造宇航、计算机和激光等部件的一种超精密加工技术，受到先进工业国家的重视。美、日、俄、法和英等国在许多高等院校和公司都竞相进行研究和开发并逐渐得到应用。其中振动切削尤其被关注，超声振动切削包括：车、锉、钻孔和攻丝等它是利用超声振动激励刀具改善切削性能的切削方法，其优点是能提高切削速度、减小切削力( 切削力只有普通方法的1/3~1/20)和功耗、 延长工具寿命、提高加工精度、提高表面光洁度和表面质量， 是一种很有前途的加工方法。
超声悬浮
超声悬浮是在重力空间利用强驻波声场中的辐射压力与固体、液体微粒或生物细胞的重力相平衡，而使其稳定悬浮在声场中或在空中移动的技术。利用超声悬浮技术可以用较少的设备实现一种无明显机械接触的理想实验环境来研究液体和生物媒质的力学性质，如液体分界面的表面张力、液体的粘滞性，测量微量液体或生物组织的绝热压缩系数等；可用于制造高质量的半导体品体、远红外透光新玻璃等。 另外，超声悬浮技术还可以模拟空间环境中各种效应的无容器状态。在声悬浮技术研究中，研究问题的关键在于如何产生一个大功率高稳定性及可以控制悬浮力、物体移动方向及位置的声场在空气中可以利用夹心式纵向换能器激发弯曲振动圆形或矩形辐射板产生高强度空气声场，在液体中的声悬浮装置包括底部装有活塞声源的管形声场等。 在悬浮声场中，被悬浮物体稳定于声场中的声压节点处，通过改变超声的频率及反射板的位置可移动悬浮物体来进行力学性能研究。
超声清洗
超声波清洗主要利用超声空化作用，在声场作用下存在于液体中的微气泡会产生高频振动，当声压达到一定值时气泡迅速增长然后突然闭合，瞬时产生激波，能在其周围产生上千个大气压力和几千度的高温，足以破坏不溶性污物而使它们分散于溶液中。一方面能破坏污物与被清洗表面之间的吸附；另一方面引起污物层的疲劳破坏而脱离，气体型空化能对固体表面进行擦洗。清洗效果的好坏要选择一个适当的功率与频率，清洗液的温度，清洗物品的安放位置及清洗溶液的选择都有一定关系。目前广泛使用单一频率的清洗机，由于驻波场的存在，造成清洗不均匀，对于有大量污垢的零件一般先用浸、喷、冲等方法进行预清洗，然后超声清洗效果较好。
超声治疗
超声治疗的生物物理基础包括机械作用、热作用、物理效应、化学效应、生物效应及空化效应等，超声的机械效应是原发效应。尽管目前超声诊断的应用范围比超声治疗范围宽得多，但超声波在医学中的应用最早从超声治疗开始，截至目前超声治疗的应用范围包括呼吸系统、消化系统、循环系统神经系统、肌肉损伤、劳损、肩、颈、腰 腿痛及睫鞘疾病和骨关节等病。超声的作用主要是消炎、止痛等。基本属于超声理疗范围。除此以外，超声外科也得到了很大发展，如超声外科手术、超声治疗癌症、超声溶血栓、超声粉碎结石、超声针灸、 超声粉碎脂肪减肥、超声穴位治疗及超声洁牙等。
超声马达
超声马达的概念诞生于 20 世纪 60 年代，80年代以后得到迅速发 展，与电磁马达不同，超声马达是通过超声换能器将电能转换为某种模式的机械振动，然后通过定子与转子间的摩擦力使转子运动。超声马达的优点是转速低、转矩大、体积小、重量轻、应答速度快、定位精度高、功率密度大、无电磁干扰及便于控制等。超声马达的这些特点使其在精密定位、自动控制和测量方面包括机器人、计算机、仪器仪表、照相机及其它高技术领域都具有广阔的应用前景。目前，超声马达的研究仍限于实验室阶段，主要研究工作包括定子的振动模式、定子的振动与转子运动之间。
声空化和声化学
声化学是指利用超声波加速化学反应的新方法，促使液体中空腔的形成、振荡、生长收缩及崩溃，并引发物理和化学变化，集中声场能量并迅速释放的过程。其基础还是声空化效应，并非声能与物质的直接相互作用，它在合成化学、聚合化学、电化学、境化学等方面的研究已取得了很大进展。声空化在液体中造成局部高温高压的物理环境，这无疑会促进化学反应，已引起化学界的极大兴趣。声化学这一学科刚出现，就受到了声学界和化学界人士的高度重视，欧洲及美国科学家几乎每年都召开关于声化学方面的学术研讨会，并于1994年创 办了国际《超声化学》杂志，声化学崛起不仅引起学术界的关注，也激起了企业界的强烈兴趣。
超声雾化
超声雾化是利用超声能量使液体形成微细雾滴的过程。有2种方式: ①处于振动表面的薄液层在超声振动作用下激起毛细重力渡，当振动面振幅达到一定值时，液滴即从驻波峰上飞出而形成雾状，雾滴的直径大小与超声振动的频率及液体的物理参数有关，可通过改变超声频率来控制雾滴大小； ②超声喷泉成雾，在液体一定深度，通过强超声朝液面辐射而形成喷泉雾化。目前，超声雾化得到了普遍应用，例如医疗上，采用超声雾化吸入疗法，将药物直接作用于病处，因而药物浓度高，疗效显著；在工业上，用于燃油雾化，可改善燃烧，提高燃烧效率；在日常生活中，用于增加室内湿度。
其他应用
功率超声在环保工作中，可利用超声的凝集、萃取作用处理含油污水，分离油水和固体微粒，与臭氧联合作用可净化饮用水。在石油工业中，利用超声除锈对石油管道部件进行抗锈保养，作为油管进行橡胶或塑料包敷前的去锈预处理在金属试验中，超声空化腐蚀可用来加速测试金属的抗腐蚀性能，另外超声高频振动用于金属疲劳强度的测试，缩短试验时间。除此之外，功率超声技术在家电中的应用还有许多，如超声洗面器、超声净牙器、超声牙刷、超声洗碗机、超声消毒器、超声驱蚊器等。
功率超声技术属高科技领域，它涉及到振动与声、电子与机械、材料等多方面技术。 随着科学技术的发展，它必将发挥越来越大的作用。 然而，功率超声的各种应用发展并不平衡， 一种新的功率超声技术能否很快从实验室走向工业化， 取决于它的经济性和可替代性。 功率超声处理技术是否具有其它技术所不能取代的优点， 能否比其它技术更为经济方便，这往往是决定某种超声处理应用是否有发展前途的因素， 为此必须了解和研究各种应用中的作用机制。 在功率超声技术研究中，智能化大功率超声发生器、 大功率换能器材料及结构、超声振动系统设计与测量方法等， 仍是今后的研究热点。 随着相关学科的发展，功率超声将进一步发挥出独特的优越性， 也在更广泛的领域中得到应用。