超聲波的基本原理

    超聲波是聲波的一部分，是人耳聽不見、頻率高于20KHZ的聲波，它和聲波有共同之處，即都是由物質(zhì)振動而產(chǎn)生的，并且只能在介質(zhì)中傳播；同時，它也廣泛地存在于自然界，許多動物都能發(fā)射和接收超聲波，其中以蝙蝠zui為突出，它能利用微弱的超聲回波在黑暗中飛行并捕捉食物。但超聲還有它的特殊性質(zhì)'如具有較高的頻率與較短的波長，所以，它也與波長很短的光波有相似之處。

   1超聲波的特性

    超聲波是彈性機械振動波，它與可聽聲相比還有一些特點：傳播的方向較強，可聚集成定向狹小的線束；在傳播介質(zhì)質(zhì)點振動的加速度非常之大；在液體介質(zhì)中當超聲強度達到一定值后便會發(fā)生空化現(xiàn)象。

    一、束射特性

        從聲源發(fā)出的聲波向某一方向（其他方向甚弱）定向地傳播，稱之為束射。  超聲波由于它的波長較短，當它通過小孔（大于波長的孔）時，會呈現(xiàn)出集中的一束射線向一定方向前進。又由于超聲方向性強，所以可定向采集信息。同樣當超聲波傳播的方向上有一障礙 物的直徑大于波長時，便會在障礙物后產(chǎn)生“聲影”。這些猶如光線通過小孔和障礙物一樣，所以超聲波具有和光波相似的束射特性。

    超聲波的束射性的好壞，一般用發(fā)散角的大小來衡量（習(xí)慣上

用半發(fā)射角臼表示）。以平面圓形活塞式聲源為例，其大小決定

于聲源的宜徑（D）和聲波的波長（）。即

由上述公式看出，要使發(fā)聲體發(fā)射出方向性有較好的超聲波，必須使角盡量小，發(fā)射體（聲源）的直痙D必須很大或發(fā)射的頻率f也必須很高才能得到，否則將適得其反。由于超聲波的波長要比可聽聲的波長短，所以它就比可聽聲波有較好的束射特性，頻率愈高的超聲波，波長愈短，這種向一定方向傳播的特性就愈顯著。

如下圖所示

二、吸收特征

  超聲波在各種介質(zhì)傳播時，隨著傳播距離的增加，超聲強度會漸漸減弱，能量逐漸消耗，這種能量被介質(zhì)吸收掉的特性，稱之為聲吸收。1845年斯托克斯（Stoke。G．G．）發(fā)現(xiàn)：當聲波通過液體，因液體質(zhì)點相對運動而產(chǎn)生的內(nèi)摩擦（即粘滯作用）導(dǎo)致聲吸收，因而導(dǎo)出了由介質(zhì)的內(nèi)摩擦或粘性引起的液體中聲吸收公式，吸收系數(shù)等于

式中是介質(zhì)的粘滯系數(shù)。

還有，當聲波在液體介質(zhì)中傳播時，壓縮區(qū)的溫度將高于平均溫度；相反，稀疏區(qū)的溫度低于平均溫度，因此，由于熱傳導(dǎo)使聲波

的壓縮和稀疏部分之間進行熱交換，從而引起聲波能量的減少1868年基爾霍夫（Kirchhoff G.）導(dǎo)出了由熱傳導(dǎo)引起的聲吸收公式，吸收系數(shù)為

式中K是介質(zhì)的熱傳導(dǎo)系數(shù)，r是比熱比，Cp是定壓熱容量。由此可見，總聲吸收系數(shù)為

    由此看出，吸收系數(shù)a與聲波頻率的平方成正比，當頻率增加10倍，則吸收系數(shù)就增大100倍。即頻率愈高，吸收愈大，因而聲波傳播的距離愈小。在氣體中，1920年愛因斯坦提出了由聲頻散來確定締合氣體的反應(yīng)率，從而促進了對氣體分子熱弛豫吸收機制延伸到液體的研究，得出了由于介質(zhì)中的分子相互之間的碰撞引起分子熱弛豫吸收。所以低頻聲波在空氣中可以傳播很遠距離，而高頻聲波在空氣中很快的衰減了。

在固體中，聲吸收在很大程度上取決于固體的實際結(jié)構(gòu)。

由以上看出引起不同介質(zhì)對聲吸收的原因很多，但主要原因是介質(zhì)的粘滯性、熱傳導(dǎo)、介質(zhì)的實際結(jié)構(gòu)及介質(zhì)的微觀動力學(xué)過程中引起的弛豫效應(yīng)等，這些介質(zhì)中的聲吸收都隨著聲的頻率而變化。超聲波是高頻率的聲波，在同一介質(zhì)中傳播時，隨著頻率的增大，被介質(zhì)吸收的能量就愈大。例如頻率為105Hz的超聲波在空氣中被吸收的能量比頻率為104Hz的聲波大100倍；對同一頻率的超聲波因傳播的介質(zhì)不同。如在氣體、液體、固體中傳播時，其吸收分別為zui厲害、較弱、zui小。所以超聲波在空氣中傳播距離zui短。

 超聲波在均勻介質(zhì)中傳播時，由于介質(zhì)的吸收，而影響聲強度隨距離的增加而減弱，這就是聲波衰減。

 當超聲波起始強度為J0，經(jīng)過x米距離后，其強度為

    Jx= Joe-2ax“    ’    

 式中a為吸收系數(shù)（衰減系數(shù)）。

    由上可得在各種介質(zhì)中聲波的吸收系數(shù)，

    由此看出超聲強度是以指數(shù)而衰減的。例如頻率為106Hz的超聲波在離開聲源以后，在空氣中經(jīng)過0. 5m距離，其強度就要減弱一半；在水中傳播，要經(jīng)過500m的距離后才使強度減弱一半，

可看出在水中傳播的距離相當于在空氣中傳播距離的1000倍。

隨著頻率的增高，衰減越快。如頻率為1011Hz的超聲在空氣中傳

播，當在離開聲源的一剎那間就會全部消失得無影無蹤。在粘度

很大的液體中，超聲被吸收得更快。例如在200C時，使頻率為

300kHz的超聲的強度減至一半，只需0.4m厚的空氣就夠了，至

于在水中就要經(jīng)過440m，在變壓器油中就要傳播100m左右，而

在石蠟中只需傳播3m左右。因此，粒度極大的物質(zhì)（橡皮、膠木、

瀝青）則是超聲波良好的絕緣體。

    三、能量大

    超聲波傳播的能量比可聽聲大得多。因為當聲波到達某一物

質(zhì)時，由于聲波的作用使物質(zhì)中的分子也跟著振動，振動的頻率和

聲波頻率一樣，所以分子振動頻率決定了分子振動的速度，頻率越

高速度越大。從而物質(zhì)的分子由振動而獲得了能量，其能量除了

與分子的質(zhì)量有關(guān)外，還與分子的振動速度的平方成正比，而振動

速度又與分子振動的頻率有關(guān)，所以聲波的頻率越高，也就是物質(zhì)

分子得到的能量越高。超聲波的頻率比聲波的頻率可高得多，所

以超聲波可使物質(zhì)分子獲得更大的能量。由此說明超聲波本身可

以供給物質(zhì)足夠大的能量。

    我們平常人耳能聽到的聲波頻率低、能量小。如高聲談話聲

約等于50uW/cm2的強度。但超聲波所具有的能量就比聲波大得

多。例如頻率為106Hz的超聲振動所具有的能量，比振幅相同而

頻卒為103Hz的聲波振動的能量要大100萬倍，因為聲波的能量

與頻率的平方成正比。由此看出，主要是超聲波的巨大機械能量

使物質(zhì)質(zhì)點產(chǎn)生了極大的加速度。

    在一般工作中，正常響度的揚聲器的聲強為2·10-9W/cm2；

炮的射擊聲的聲強為10 - 3W/cm2；中等響度的聲音使水的質(zhì)點所

獲得的加速度只有重力加速度（980cm/s2）的百分之幾，所以不會

對水產(chǎn)生影響。然而如果把超聲作用于水中，使水質(zhì)點所達到的

加速度可能比重力加速度大幾十萬倍甚至幾百萬倍，所以就會使

水質(zhì)點產(chǎn)生急速運動。它在超聲提取中有著極其重要的作用。

    四、空化現(xiàn)象

    空化現(xiàn)象是液體中常見的一種物理現(xiàn)象。在液體中由于渦流

或超聲波等物理作用，致使液體的某些地方形成局部的負壓區(qū)，從

而引起液體或液體一固體界面的斷裂，形成微小的空泡或氣泡。

液體中產(chǎn)生的這些空泡或氣泡處于非穩(wěn)定狀態(tài)，有初生、發(fā)育、隨

后迅速閉合的過程，當它們迅速閉合破滅時，會產(chǎn)生一種微激波，

使局部區(qū)域有很大的壓強。這種空泡或氣泡在液體中形成和隨后

迅速閉合的現(xiàn)象，稱為空化現(xiàn)象。

    關(guān)于空化基本過程以及空化與沸騰的區(qū)別簡述如下：當液體

在恒壓下加熱或在恒溫下用靜力或動力方法減壓時，可達到茌液

體中有蒸氣空泡或充滿氣體的空泡（或空穴）開始出現(xiàn)并發(fā)育，隨

后又閉合。這一狀態(tài)若由溫度升高所引起，稱之為“沸騰”；若溫度

基本不變而由局部壓力下降所引起，稱之為“空化”。

    由以上空化基本過程看出空化有以下特征：空化是一種液體

中出現(xiàn)的現(xiàn)象，在任何正常環(huán)境下，固體或氣體都不會發(fā)生空化；

空化是液體減壓的結(jié)果，因此大體上可由控制減壓程度來控制空

化現(xiàn)象；空化是一種動力學(xué)現(xiàn)象，它涉及空泡的發(fā)育與閉合。

    超聲空化是強超聲在液體中傳播時，引起的一種*的物理

現(xiàn)象，也是引起液體中空腔的產(chǎn)生、長大、壓縮、閉合、反跳快速重復(fù)性運動的*的物理過程。

    在空泡崩潰閉合時產(chǎn)生局部高壓、高溫，由于聲場中的頻率、

聲強和液體的表面張力、粘度以及周圍環(huán)境的溫度和壓力等影響，

液體中的微小氣核在聲場的作用下響應(yīng)可能是緩和的，也可能是

強烈的。故人們將聲空化分為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種空化類型。

    穩(wěn)態(tài)空化主要是指那些內(nèi)含氣體和蒸氣的空化泡的動力學(xué)行

為，是一種較長壽命的氣泡振動。這種空化過程一般在小于

1W/CIT12聲強時產(chǎn)生，空化氣泡振動時間長，且持續(xù)幾個聲波周期。在聲場中這種振動氣泡，由于在膨脹時氣泡的表面積比壓縮時大，使膨脹時擴散到泡內(nèi)的氣體比壓縮時擴散到泡外的多，而使氣泡

在振動過程中增大。當振動振幅足夠大時，會使氣泡由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變

為瞬態(tài)空化，繼而發(fā)生崩潰。

    瞬態(tài)空化一般指在大于1W/cm2的聲強時所產(chǎn)生的空化氣

泡，振動只在一個聲周期內(nèi)完成。這種在聲場中振動的氣泡，當聲

強足夠高、聲壓為負半周時，液體受到大的拉力，氣泡核迅速脹大，可達到原來尺寸的數(shù)倍；繼而在聲壓正半周時，氣泡受到壓縮因突然崩潰而裂解成許多小氣泡，以構(gòu)成新的空化核。在氣泡迅速收縮時，泡內(nèi)的氣體或蒸氣被壓縮，而在空化泡崩潰的極短時間，泡內(nèi)產(chǎn)生約5000K的高溫，類似太陽表面的溫度；局部產(chǎn)生約500

大氣壓的高壓，相當于深海底的壓力；溫度變化率高達109K/s;并

伴隨產(chǎn)生強烈的沖擊波和時速達400km的射流、發(fā)光現(xiàn)象，也可

聽到小的爆裂聲。可見空化所提供的能量，使局部產(chǎn)生高壓、高

溫、高梯度流動，為藥材中難以提取的成分提供了一種新的提取

途徑。

    對超聲空化的研究，始于20世紀30年代，在Monnesco和

Frenzel等發(fā)現(xiàn)聲發(fā)光（SL）后，由追索發(fā)光起因引起的對超聲空化

氣泡運動的研究及對其基本效應(yīng)的測量。他們采用對液體中超聲

空化群體氣泡進行測量，研究丁“多泡空化”；到20世紀60年代*汪承灝、張德俊等在應(yīng)崇福院士指導(dǎo)下，研究了用動力式方法產(chǎn)生的單一空化氣泡的完整運動過程，并實驗證明了空化的

光輻射和電磁輻射均發(fā)生于氣泡閉合時刻，他們還研究了空化的

乳化作用及機械效應(yīng)。20世紀80年代美國Gaitan和Crum

等人采用聲懸浮技術(shù)將單一氣泡“囚禁”在容器的駐波場波腹處，

使之與外加超聲場同步產(chǎn)生周期性的空化過程，并進行了測量。

這些成果都為超聲在工農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)，

也為超聲空化的測量提供了條件。

    1．空化強度的測量

    根據(jù)目前的報導(dǎo)，超聲空化強度還沒有一種的測定方法，

但超聲在實際中的應(yīng)用效果在某些方面是與空化強度有著直接關(guān)

系，所以想方設(shè)法測量空化強度在實際應(yīng)用中有著重要的意義。

而空化強度不但和空化泡閉合時所產(chǎn)生的壓力大小、單位體積中

的空化泡數(shù)量有關(guān)，還與各種類型的空化泡有關(guān)，所以只能測量相

對強度。目前主要是從超聲清洗的角度研究，以直接衡量超聲清

洗的效果，其方法有：

    腐蝕法：將厚度約20um的鋁、錫或鉛箔置于聲場中一定距離

上受空化腐蝕，在一定的時間內(nèi)取出，稱出腐蝕樣的重量，以衡量

相對的空化強度，這種方法稱之為膺蝕法。這種方法可測量由液

體表面到不同深度的相對空化強度。測量的方法是要求金屬樣品

表面光潔度一致，進行多次測量，以求出平均值。

    化學(xué)法：將碘化鈉置于四氯化碳中，在聲空化作用下以釋放出

碘的多少，來衡量相對的空化強度，這種方法稱為化學(xué)法。這種方

法是用分光光度計或者放射性示蹤方法作釋放碘的定量測定。因

為在超聲強度為5 - 30 W/cm2，處理1 min，碘的釋放量隨聲強的

增加而增加，故以釋放量的大小，測定其空化強度。

    清除污物法：用帶有放射性污物的工件作為清洗樣品，用超聲

清洗后，定量測量污物除去的數(shù)量，以此衡量超聲清洗的效果或相

對的空化強度，這種方法稱之為清除污物法。

    在實際應(yīng)用中還有測量空化噪聲的方法等，在此不多述了。

    2．超聲空化的消極作用及應(yīng)用

    由于聲空化現(xiàn)象產(chǎn)生氣泡的非線性振動以及它們破滅時產(chǎn)生

爆破壓力，所以伴隨空化現(xiàn)象能產(chǎn)生許多物理和化學(xué)效應(yīng)。這些

效應(yīng)有消極方面的作用，但也有在工程技術(shù)中得到應(yīng)用的方面。

如艦船用的高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳槳葉的表面，常受到空化產(chǎn)生的壓

力打擊作用，“腐蝕”成一些斑痕?？栈瘒乐貢r，大量氣泡的出現(xiàn)會影響螺旋槳的推力。在民用工業(yè)中，空化“腐蝕”會損壞管道和器件。然而，利用空化產(chǎn)生的激波打擊作用，或氣泡閉合的局部高溫可以在工業(yè)中得到有益的利用。如超聲清洗，就是利用聲波進

復(fù)雜構(gòu)造異形的孔道，借助超聲空化能對放在洗滌劑中的機件

微型機件清洗；也可在鍋爐中進行超聲除垢和防水垢沉積；還可

利用空化對藥劑生產(chǎn)過程進行乳化，在工業(yè)上制備油一水，油一

之類混合溶液的乳劑；進行超聲焊接（破壞金屬表面氧化層，促

金屬焊接）；利用超聲空化促進某些化學(xué)反應(yīng)過程；打破植物細

壁，促進化學(xué)成分向溶劑中溶解，提高化學(xué)成分提出率等應(yīng)用。