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杭州格伦坤科技有限公司 1 超声波概述超声波概述 超声波概述超声波概述 1.1 什么是超声波什么是超声波 什么是超声波什么是超声波 物体振动时会发出声音，科学家们将每秒振动的次数称为声音的频率，单位是赫兹，人 耳能听到的声波频率为 20-20000 赫兹，当声波的振动频率大于20000 赫兹或小于 20 赫兹时， 人耳便听不见了。因此，将频率高于20000 赫兹的声波称为“超声波” 。 超声波和可闻声本质上是一致的，都是一种机械振动，通常以纵波的方式可在气体、液 体、固体、固熔体等弹性介质内有效传播，是一种能量的传播形式，在一定距离内沿直线传 播具有良好的束射性和方向性，同时，超声波可传递很强的能量，会产生反射、干涉、叠加 和共振现象，超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。 1.2 超声效应超声效应 超声效应超声效应 当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和 化学的变化，从而产生一系列力学的、热学的、电磁学的和化学的超声效应，主要包 括以下 4 种效应： ①机械效应。超声波在传播过程中，会引起介质质点交替的压缩和伸张，构成了压力的 变化，这将引起机械效应。超声波在液体传播过程中，质点位移和速度不大，但与超声波振 动频率的平方成正比的质点加速度却很大，会对介质造成强大的机械效应，甚至破坏介质。 超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。当超声波流体介质中形成 驻波时，悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处，在空间形成周期性的 堆积。 ②空化效应。超声波作用于液体时可产生大量小气泡，一个原因是液体内局部出现拉应 力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。另 一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，空洞内为液体蒸气或溶于液体的另一种气 体，甚至可能是真空。小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然湮灭，这一系列 动力学过程称为声空化。湮灭时周围液体突然冲入气泡而产生 5000K 以上的高温和大约 杭州格伦坤科技有限公司 50MPa 的高压，气泡界面处液体温度也可达到 2000K，持续几微妙后，该热点随之冷却， [1] 温度变化率达 109K/s，并同时产生激波和时速高达 400km/h 的射流 。与空化作用相伴随的 内摩擦可形成电荷，并在气泡内产生放电发光现象。超声空化现象还交叉包含流体核化，空 化发起，空化空泡动态行为，声混沌等很多物理和化学现象。在液体中进行超声处理的技术 大多与空化作用有关。 ③热效应。由于超声波频率高，能量大，被介质吸收时能引起介质温度升高，在液体煤 质与固体媒质的分解面，会造成局部高温，甚至产生电离现象。 ④化学效应。在空化作用产生的高温高压下，液体分子裂解产生自由基，自由基含有未配对 电子，性质很活泼，可以进一步引发各种反应。例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢； 溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸；染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。超声波 还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程。超声波对光化学和电化学过程也有明显影 响。各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后，特征吸收光谱带消失而呈均匀的一 般吸收，这表明空化作用使分子结构发生了改变 。 四个效应中，空化作用是主要动力来源。一般，频率低、声强大、液体静压小、界面张 力低、含溶解气及温度高有利于空化作用的发生。 1.3 超声波的发展史超声波的发展史 超声波的发展史超声波的发展史 1912 年发生了英国豪华客轮泰坦尼克号首航与冰山相撞沉默的悲剧，此后，为了防止 类似事故的发生，以英国为中心，进行了超声波应用的研究，企图用超声波发现冰山之类的 航海障碍物。 但是，超声波的真正应用是在发明真空电子管之后，1919 年 Langevin 发明了一种能工 [2] 作于超声频的 X 切割式石英振动片 。第一次世界大战中，德国潜水艇威胁很大，采用安装 了Langevin 的超声波振动片的新式武器声纳，可以发现潜入海底隐蔽的德国潜水艇。 到 20 世纪初