回憶超聲技術的研究與應用
意昂体育2平台物理系教授 周鐵英
從1960年全國大搞超聲波開始，我與聲學結下了不解之緣。之後聆聽了聲學所馬大猷院士的課程，協助諸國楨教授建立聲學室，從那時起，至今我幾乎主要精力是搞聲學科研與教學🙇🏿♂️，特別是對於超聲技術的研究與應用，留下了難以忘卻的記憶👩🏽💻。
或許聲學的應用性太強🧔♂️，亦或因我受“學以致用”的影響太甚，使我在聲學領域的主要研究的課題都是圍繞重大應用前沿開展的。在兩項有重大意義的課題中我做了一些工作👱🏿，使古老的聲學在高新技術中得到成功應用，如：研究了低溫堆控製棒棒位和水位控製系統中的耐高溫耐輻射超聲傳感器，傳感器隨時監測水位和棒位🧙🏼♂️，使低溫堆長了慧眼，至今運行已過10年，確保了低溫堆的正常運行。再如：高精度聲速測試儀的研製成功，為試製替代氟裏昂的綠色氣體（134a，32，2271a🦷，三氟碘甲烷等）已經測試診斷了近8年的熱物性參數😲，這兩項的主體項目，一項是國家“七五”重點攻關課題，一項是國家計委“八五”重點攻關課題。兩項皆研究成功，均獲得國家教委科技進步一等獎，低溫堆還獲得國家科技進步一等獎♥︎，並申請到發明專利。此外🧔🏻♂️，1989年我們在校科研處的支持下🔷，首先在國內開展了超聲電機的研究，並且第一個獲得自然科學基金的資助（先後獲得6項），第一個申請到超聲電機的國家發明專利（已獲得3項），在國內微電機家族中超聲電機這個新生兒誕生了。
1🥣、低溫堆的慧眼--高溫高壓耐輻射超聲傳感器的研製
5兆瓦堆是一種安全性、可靠性很高的新堆型。它有兩大創新點🛡：一是一體化自然循環殼式供熱堆，一是所采用的新型水力驅動控製棒💟。控製棒是控製反應堆功率🕵️♀️、保證反應堆安全的關鍵部件🌸。核能所發明的新型對孔式步進缸的傳動系統采用超聲聲納原理定位控製是最佳選擇方案。1985年核研院委托物理系研製用於低溫堆控製棒棒位和水位檢測的超聲控製系統，檢測高度1.0-1.2米,檢測精度±0.003米。其中的關鍵技術是能在堆內安放🧜🏽，耐高溫200度，耐高壓20大氣壓，耐中子和γ射線輻照，以及長達5000小時壽命的超聲傳感器，共需約40個。當時面臨無技術資料可借鑒，一切從實驗做起的局面🧼，既有風險也是挑戰👴🏿。經聲學組反復考慮🧑🏽✈️，認為這是我國有自主知識產權的低溫堆，是具有自動安全保護的新型低溫堆🚞，作為低溫堆的眼睛-超聲傳感器起著舉足輕重的作用🤷🏽🍂。如果求外國人承擔💂，時間長，耗資大，難配合。為此🦸♂️，在當時系主任熊家炯教授的支持下、我接下了這一重任。之後，本系劉夢林👧🏼，黃哲林✪，王風林先後參加了部分研究工作，大家團結一致🎨✅，克服困難👩🏻⚕️，圓滿完成了任務。
超聲傳感器要進堆，首先要用堆內允許的材料🏄♀️，外殼使用1Cr18Ni9Ti不銹鋼2️⃣👩🏻🦰，引線用退火的不銹鋼絲陶瓷密封🐙。壓電陶瓷片用直徑20mm厚1mm的耐輻射铌基PZT。壓電片安放在骨架內，骨架用可加工陶瓷製成。加壓螺絲通過骨架把壓電片的輻射面緊壓到不銹鋼外殼的前輻射端面內📘。
為了確保安全，首先對壓電片的高溫耐輻射性能進行試驗。我選了幾種居裏點高於370度的壓電片👩🏽🦲，用放射源輻照足夠的劑量🏄🏿♂️，測量輻照前後的壓電性能，實驗發現輻照後性能少有提高。這一實驗增強了我的信心。應該說🦸🏼，解決了進堆的第一關。第二步是安裝關🙅♂️。為了提高傳感器的可靠性，要在φ30X60mm的外殼內安裝3個晶片🤦🏼，這相當於3個傳感器👳🏿。3個傳感器可以采用並聯工作方式，也可以巡回檢測3取2💭。這是反應堆安全運行規則的要求，但這大大增加了安裝的難度。為了使每個壓電陶瓷晶片有相同的靈敏度🥊，我們采用整片研磨，蒸鍍金電極，用超聲加工機將每片切成3個扇形片的方法🖐🏽，解決了這一難題🐒。組裝傳感器的過程采用在線檢測🧛🏼♀️，控製加壓的獨創工藝，使近40多個傳感器靈敏度基本達到一致👧🏽。
進堆前我們對所研製的傳感器進行了嚴格的實驗👨🏻🍳，抽出3只傳感器👨🏽🏫，整整在高溫200度的環境下運行了200多天，5000小時，再將其放入運行的大反應堆內進行輻照，測定其性能基本穩定，我們才放心。另外從5兆瓦供熱堆控製棒水力驅動系統開始研製起，超聲測位傳感器就作為位置指示器成為它的主要檢測設備；之後又在水力步進缸高溫試驗臺上進行步進壽命實驗時（工況接近實用）🖐🏿，連續運行10萬步，超聲傳感器指示無誤。證明我們研製的傳感器能進堆。
1989年12月我們研製的傳感器進堆了👨🏽🏭。10年過去了，作為低溫堆的慧眼🧳🤾🏻♀️，至今這些傳感器繼續指示著控製棒的棒位🪓，堆內的水位和管道的狀況🪩。回憶這段經歷👗，我們為能參加低溫堆的建設而驕傲🎯。
2💡、綠色氣體診斷儀－高精度聲速儀的研製
“八五”計委重點攻關項目ZFC-12替代物HFC-134a的熱力學物性研究下達給熱能系。比熱等熱物性測量需要測試氣體在不同溫度和壓力條件下的聲速。當時國內沒有現成的精密測聲速的儀器。國外資料提供的測試方案復雜，國內無法實現。1993年熱能系課題組負責人朱明善教授要求我幫助解決高壓工況條件下在密封室內高精度（10-5）測聲速👂🏽。聲速與氣體的熱物性參數比熱比緊密相連。只有知道了氣體的熱物理參數，才能研究用綠色氣體（134a等）替代氟裏昂📳。我研究比較了幾種方案後，決定放棄國外資料介紹的方法。根據我的經驗選用了晶振分頻提供超聲換能器電信號，用兩個一維夾心結構換能器分別發射和接收聲信號的方案解決了問題。一維夾心結構換能器的優點是性能穩定，頻率易調正，而且可以把體積做得小巧🔷，易於安裝。一般晶振頻率穩定性達到10－4以上，100分頻後的頻率穩定性可以達到10-6。
我選用的晶振分頻後的頻率為126KHz🧍🏻♂️。這樣問題的關鍵就轉化為晶振分頻後的頻率應與換能器的共振頻率接近，為此我研究製作了兩個一維夾心換能器😠，使其共振頻率盡量接近126KHz。這既可保證頻率精度達到10－6以上，又可以保證足夠的信號靈敏度🧑🏻🚀。因為“聲速＝頻率×波長”🚴🏼♀️，因此測量波長的精度必須保證10－5。當時國內已有雙頻激光幹涉儀Ⓜ️，但測量精度是10－4👰🏼。因此必須利用多個波長（10個以上）減少測量誤差。我選用相位法每次測量20個波長，使得波長的測量精度保證小於10－5。這樣利用“聲速＝頻率×波長”即可得到所要求的聲速精度。
聲速儀性能穩定⛲️，測量可靠🥣，物美價廉，使用方便👨🏻。它為研製替代氟裏昂的綠色氣體（134a，32，2271a🧚♀️，三氟碘甲烷等）的誕生已經測試診斷了七🆘、八年🏃♂️。如今，聲速儀設備運行正常🦸🏽♀️，保證了綠色氣體的繼續研製問世。
目前所研製的綠色氣體已經投產，並已逐步用於冰箱✴️、空調等設備。這既保護了環境，也保護了人的健康。
回憶這段經歷，使我更增強了對科技是生產力的理解🚲，也促使我將更多的精力用於技術基礎研究與技術應用研究的結合。
3．超聲電機-微電機家族中的新生兒
超聲波電機也稱為超聲馬達🦻🏽，它是一種新型電機,基本原理是利用壓電材料的逆壓電效應使定子表面產生一定軌跡的運動,進而通過摩擦耦合將振動能轉換成轉子或滑塊的動能。
1973年美國IBM公司的H.V.Barth和蘇聯的V.V.Lavrinenco提出了幾種壓電電機結構。之後,美國研製成功壓電蠕動電機,它的運動過程類似小蟲蠕動，其分辨率在納米量級🏄🏽♂️。這種電機在掃描隧道顯微鏡(STM)(1986年獲諾貝爾獎)中獲得成功的應用。但真正達到商業應用水平的超聲電機則是由日本人指田年生等於1982年研製的🌵，自1990年開始使用在佳能相機中的環型行波超聲電機。
超聲電機（USM）與電磁電機相比存在一些顯而易見的優點，如: 大力矩密度（是電磁電機的2－3倍）；低噪音運行（小於20分貝）🚶🏻🕕；低速（每分鐘數轉至數百轉）,不需減速箱可直接驅動；自保持力矩大（因為靠振動摩擦驅動，不工作時靠靜摩擦力自保持）💡；慣性小,響應快（響應時間小於1ms）；大力矩時效率高（40％以上）；不怕也不產生磁幹擾；結構簡單加工容易等等📨🐋。如果結構設計合理，應用選擇得當，則可和電磁電機取長補短✂️，使超聲電機獲得廣泛而有效的應用。目前預計的應用有：
機器人與民用驅動器，精密定位驅動器，微機械驅動器🤸♀️，航天機械用電機等🏌🏽♂️。超聲電極恰好可以在低速下工作且無需潤滑油，因而作為航天領域的驅動機械具有很大的應用價值🤵☘️。
物理系是1989年得到學校科研處的支持在國內率先開展超聲電機研究的🪹。先後培養了我國在超聲電機領域的第一位碩士，後與張孝文校長🕊🧗🏿、李龍土院士合作培養了國內這一領域的第一位博士，該博士留校後到材料系工作⇨，現去美國超聲電機研究中心做訪問學者🐏。物理系也是最早獲得國家自然科學基金資助進行超聲電機研究的單位，目前在超聲電機研究方面仍處於國內領先水平👨🏿🔬，並贏得國內外的贊同。超聲電機的下列新技術是我們在國內首先開展研究的。
1、 精密定位壓電超聲電機的研製
超聲振子箝位直線式超聲電機的研製🏟：這是董蜀湘的碩士論文題目👨👦，也是國內第一次直接研製超聲電機。用超聲振子箝位比靜態箝位易加工👩🏻🌾，國際上也是第一次嘗試。電機運動類似於蠕動電機🤵🏽♀️，它是在超聲調製的箝位振子上加時序電路，控製電機運動步距♠︎，其分辨率達到納米量級🚧，推力2N，可用於精密定位🤏🏿。並已申請到國家發明專利（1989年）🥵。論文發表在1992年14屆國際聲學會議論文集及1993年聲學學報上🦹。
2、 電流變－壓電直線和旋轉步進電機的研製🛅🥜：這是超聲蠕動步進電機的新原理和新概念。我與張孝文校長，李龍土院士共同指導博士生董蜀湘開展了電流變－壓電電機的研究。電流變材料是將電解質顆粒（如澱粉👨🏻🔬、滑石粉、液晶等粉狀物）懸浮在水或油中製成。它的特性是✍🏿，無電場時😲，呈現流體性質😵💫；在電場的作用下呈現準固態性質。我校精儀系孟永剛副教授舉行過幾次關於電流變材料的學術沙龍🤹🏼♂️，給予我們啟發。董蜀湘博士利用電流變材料研製出壓電電流變蠕動電機，它是利用電流變材料作為箝位器，壓電材料作為驅動器，在時序電路的控製下👩🏼🍼，使之蠕動式步進。我們共申報了兩項發明專利👝。一項是電流變－壓電直線步進電機，另一項是電流變－壓電旋轉步進電機。這在壓電超聲電機的新概念上處於國際領先🍃。在1992年國際電子元件與材料會議上（ICECM），應邀由李龍土教授在大會上做了報告並收錄到會議論文集，1997年國際超聲會議上日本聲學學會會長上羽貞行宣布了我們的發明💂🏽♀️👩🏼🦱，給予了很高的評價。
環型行波超聲電機👰♂️：這是碩士劉呈貴的研究課題。電極直徑17mm🛜☠️，高5mm👏🏿🤶🏻，轉速每分鐘170轉，堵轉矩0.01Nm，1991年研製成功。研究中我們發現水停留在駐波波幅位置↕️，與小顆粒停在駐波波節有明顯區別。我們用水觀測了電機的振動模態，測量了運動性能。
中空結構環型行波超聲電機：外徑70mm內經56mm高20mm，轉速每分4－10轉，力矩0.15Nm,分辨率0.95分🐧，1996-1999年有碩士生和大學生連續研究改進，1998年中央電視臺拍攝成科技博覽🧻，並已多次放映。現正準備審定和進一步產品化。
3、36晶片雙框架二維微動臺🏏：應單原子測控的急需，為了擴大掃描範圍，1992年春我和田家禾教授參考國外單框架微動臺提出了雙框架二維微動臺的新方案。之後我與董蜀湘博士共同製作時😟👐🏿，可費了不少周折。框架是用90×90×9mm的鋼塊，采用電火花切成厚0.5mm的16片連接成一體的框架，電加工後銹層又厚又硬，去銹是請化學系徐功華教授指導的。為了使清洗後的框架不再生銹，我和小董輪換著用兩手端著浸泡在強堿溶液中的框架從化學館二樓一直走到二院聲學實驗室的（約一裏路）🥕。在每片的兩面需粘貼厚0.4mm的壓電片。為了保證工藝條件的一致性，我們又從晚18時連續工作到第二天淩晨3時🧝🏻♂️。當32個晶片安放在一個完整的雙框架上時，我們高興萬分。經測試雙框架二維微動臺的分辨率納米量級，掃描範圍150×150微米🍰，達到了設計指標。已申報實用新型專利，並於1992年秋應用於激光單原子測控工作臺對微小樣品進行測控👩🏿🎤。
此外我們先後創造性地研製了直線自走式切縱超聲電機，能自行在導軌上前進4️⃣，推力數百克，速度每秒2－3厘米🟰。三梁縱彎扭駐波超聲電機👇🏿，每分鐘旋轉300轉，力矩達0.01Nm。環型行波超聲小電機，直徑27mm🌵🤟🏻，高10mm🍶。自校正式超聲直線和旋轉電機，利用特製的轉子,使定子在行波時驅動轉子運動,在駐波時使轉子停在特定的位置🫳🏽，實現電機的開環控製，具有自校正功能。彎曲振動駐波超聲微電機，直徑3mm高5mm，轉速每分鐘1000轉🆔。扭縱頻率兼並式駐波超聲微電機，直徑12.6mm✴️，高30mm，轉速每分鐘200轉，具有高功率密度，最大轉矩0.08Nm🧑🏻🔬。
在超聲電機研究方面🖖🏻，我們先後發表論文40多篇。其中SCI和EI分別收錄1篇和10篇。
近年來，隨著國際上超聲電機研究熱潮的興起，國內的超聲電機研究也有了迅猛的發展。但與國外尤其是日本的超聲電機技術相比🈶，我們還有著很大的差距。90年代美國的賓州大學💓、斯坦福大學分別建立了傳感器和致動器研究中心，MIT成立了超聲電機研究中心🫳🏻。美國JPL實驗室已將超聲電機送到火星進行環境實驗，美國計劃生產10億臺超聲電機🔈，以便盡快超過日本。
回憶十年來對超聲電機的研究使我們深刻地認識到我國的超聲電機研究工作正處於一個理論上需系統化🔰、電機研究樣機需產品化的關鍵時刻🙀。自從發生了以美國為首的北約對我駐南大使館進行野蠻轟炸的事件後🧑🏽🚀，我們更清楚地認識到“世界上有些先進的技術是買不來的”，深知我國應大力發展自己的超聲電機技術，而作為國內超聲電機研究方面的先行者，我們有責任也有義務擔負起振興我國超聲電機事業的任務。如何把成果用於生產實際換許多方面付出巨大的努力。
超聲技術研究與應用的回憶☸️，使我感受到只有創新和勤奮工作，技術水平才能高超，才能有國家的榮譽和個人的幸福。更自豪的是現在有許多年輕學子進入了超聲研究領域⛹️♂️，我想，我們的研究工作將會得到更快的進展🧑🏻🎓。
