超声波的基本原理

    超声波是声波的一部分，是人耳听不见、频率高于20KHZ的声波，它和声波有共同之处，即都是由物质振动而产生的，并且只能在介质中传播；同时，它也广泛地存在于自然界，许多动物都能发射和接收超声波，其中以蝙蝠zui为突出，它能利用微弱的超声回波在黑暗中飞行并捕捉食物。但超声还有它的特殊性质'如具有较高的频率与较短的波长，所以，它也与波长很短的光波有相似之处。

   1超声波的特性

    超声波是弹性机械振动波，它与可听声相比还有一些特点：传播的方向较强，可聚集成定向狭小的线束；在传播介质质点振动的加速度非常之大；在液体介质中当超声强度达到一定值后便会发生空化现象。

    一、束射特性

        从声源发出的声波向某一方向（其他方向甚弱）定向地传播，称之为束射。  超声波由于它的波长较短，当它通过小孔（大于波长的孔）时，会呈现出集中的一束射线向一定方向前进。又由于超声方向性强，所以可定向采集信息。同样当超声波传播的方向上有一障碍 物的直径大于波长时，便会在障碍物后产生“声影”。这些犹如光线通过小孔和障碍物一样，所以超声波具有和光波相似的束射特性。

    超声波的束射性的好坏，一般用发散角的大小来衡量（习惯上

用半发射角臼表示）。以平面圆形活塞式声源为例，其大小决定

于声源的宜径（D）和声波的波长（）。即

由上述公式看出，要使发声体发射出方向性有较好的超声波，必须使角尽量小，发射体（声源）的直痉D必须很大或发射的频率f也必须很高才能得到，否则将适得其反。由于超声波的波长要比可听声的波长短，所以它就比可听声波有较好的束射特性，频率愈高的超声波，波长愈短，这种向一定方向传播的特性就愈显著。

如下图所示

二、吸收特征

  超声波在各种介质传播时，随着传播距离的增加，超声强度会渐渐减弱，能量逐渐消耗，这种能量被介质吸收掉的特性，称之为声吸收。1845年斯托克斯（Stoke。G．G．）发现：当声波通过液体，因液体质点相对运动而产生的内摩擦（即粘滞作用）导致声吸收，因而导出了由介质的内摩擦或粘性引起的液体中声吸收公式，吸收系数等于

式中是介质的粘滞系数。

还有，当声波在液体介质中传播时，压缩区的温度将高于平均温度；相反，稀疏区的温度低于平均温度，因此，由于热传导使声波

的压缩和稀疏部分之间进行热交换，从而引起声波能量的减少1868年基尔霍夫（Kirchhoff G.）导出了由热传导引起的声吸收公式，吸收系数为

式中K是介质的热传导系数，r是比热比，Cp是定压热容量。由此可见，总声吸收系数为

    由此看出，吸收系数a与声波频率的平方成正比，当频率增加10倍，则吸收系数就增大100倍。即频率愈高，吸收愈大，因而声波传播的距离愈小。在气体中，1920年爱因斯坦提出了由声频散来确定缔合气体的反应率，从而促进了对气体分子热弛豫吸收机制延伸到液体的研究，得出了由于介质中的分子相互之间的碰撞引起分子热弛豫吸收。所以低频声波在空气中可以传播很远距离，而高频声波在空气中很快的衰减了。

在固体中，声吸收在很大程度上取决于固体的实际结构。

由以上看出引起不同介质对声吸收的原因很多，但主要原因是介质的粘滞性、热传导、介质的实际结构及介质的微观动力学过程中引起的弛豫效应等，这些介质中的声吸收都随着声的频率而变化。超声波是高频率的声波，在同一介质中传播时，随着频率的增大，被介质吸收的能量就愈大。例如频率为105Hz的超声波在空气中被吸收的能量比频率为104Hz的声波大100倍；对同一频率的超声波因传播的介质不同。如在气体、液体、固体中传播时，其吸收分别为zui厉害、较弱、zui小。所以超声波在空气中传播距离zui短。

 超声波在均匀介质中传播时，由于介质的吸收，而影响声强度随距离的增加而减弱，这就是声波衰减。

 当超声波起始强度为J0，经过x米距离后，其强度为

    Jx= Joe-2ax“    ’    

 式中a为吸收系数（衰减系数）。

    由上可得在各种介质中声波的吸收系数，

    由此看出超声强度是以指数而衰减的。例如频率为106Hz的超声波在离开声源以后，在空气中经过0. 5m距离，其强度就要减弱一半；在水中传播，要经过500m的距离后才使强度减弱一半，可看出在水中传播的距离相当于在空气中传播距离的1000倍。随着频率的增高，衰减越快。如频率为1011Hz的超声在空气中传播，当在离开声源的一刹那间就会全部消失得无影无踪。在粘度很大的液体中，超声被吸收得更快。例如在200C时，使频率为

300kHz的超声的强度减至一半，只需0.4m厚的空气就够了，至于在水中就要经过440m，在变压器油中就要传播100m左右，而在石蜡中只需传播3m左右。因此，粒度*的物质（橡皮、胶木、沥青）则是超声波良好的绝缘体。

    三、能量大

    超声波传播的能量比可听声大得多。因为当声波到达某一物质时，由于声波的作用使物质中的分子也跟着振动，振动的频率和声波频率一样，所以分子振动频率决定了分子振动的速度，频率越高速度越大。从而物质的分子由振动而获得了能量，其能量除了与分子的质量有关外，还与分子的振动速度的平方成正比，而振动速度又与分子振动的频率有关，所以声波的频率越高，也就是物质分子得到的能量越高。超声波的频率比声波的频率可高得多，所以超声波可使物质分子获得更大的能量。由此说明超声波本身可

以供给物质足够大的能量。

    我们平常人耳能听到的声波频率低、能量小。如高声谈话声约等于50uW/cm2的强度。但超声波所具有的能量就比声波大得多。例如频率为106Hz的超声振动所具有的能量，比振幅相同而频卒为103Hz的声波振动的能量要大100万倍，因为声波的能量与频率的平方成正比。由此看出，主要是超声波的巨大机械能量使物质质点产生了*的加速度。

    在一般工作中，正常响度的扬声器的声强为2·10-9W/cm2；炮的射击声的声强为10 - 3W/cm2；中等响度的声音使水的质点所获得的加速度只有重力加速度（980cm/s2）的百分之几，所以不会对水产生影响。然而如果把超声作用于水中，使水质点所达到的加速度可能比重力加速度大几十万倍甚至几百万倍，所以就会使水质点产生急速运动。它在超声提取中有着极其重要的作用。

    四、空化现象

    空化现象是液体中常见的一种物理现象。在液体中由于涡流或超声波等物理作用，致使液体的某些地方形成局部的负压区，从而引起液体或液体一固体界面的断裂，形成微小的空泡或气泡。液体中产生的这些空泡或气泡处于非稳定状态，有初生、发育、随后迅速闭合的过程，当它们迅速闭合破灭时，会产生一种微激波，使局部区域有很大的压强。这种空泡或气泡在液体中形成和随后迅速闭合的现象，称为空化现象。

    关于空化基本过程以及空化与沸腾的区别简述如下：当液体在恒压下加热或在恒温下用静力或动力方法减压时，可达到茌液体中有蒸气空泡或充满气体的空泡（或空穴）开始出现并发育，随后又闭合。这一状态若由温度升高所引起，称之为“沸腾”；若温度基本不变而由局部压力下降所引起，称之为“空化”。由以上空化基本过程看出空化有以下特征：空化是一种液体中出现的现象，在任何正常环境下，固体或气体都不会发生空化；空化是液体减压的结果，因此大体上可由控制减压程度来控制空化现象；空化是一种动力学现象，它涉及空泡的发育与闭合。

    超声空化是强超声在液体中传播时，引起的一种*的物理现象，也是引起液体中空腔的产生、长大、压缩、闭合、反跳快速重复性运动的*的物理过程。在空泡崩溃闭合时产生局部高压、高温，由于声场中的频声强和液体的表面张力、粘度以及周围环境的温度和压力等影响，液体中的微小气核在声场的作用下响应可能是缓和的，也可能是强烈的。故人们将声空化分为稳态和瞬态两种空化类型。

    稳态空化主要是指那些内含气体和蒸气的空化泡的动力学行为，是一种较长寿命的气泡振动。这种空化过程一般在小于1W/CIT12声强时产生，空化气泡振动时间长，且持续几个声波周期。在声场中这种振动气泡，由于在膨胀时气泡的表面积比压缩时大，使膨胀时扩散到泡内的气体比压缩时扩散到泡外的多，而使气泡在振动过程中增大。当振动振幅足够大时，会使气泡由稳态转变为瞬态空化，继而发生崩溃。

  瞬态空化一般指在大于1W/cm2的声强时所产生的空化气泡，振动只在一个声周期内完成。这种在声场中振动的气泡，当声强足够高、声压为负半周时，液体受到大的拉力，气泡核迅速胀大，可达到原来尺寸的数倍；继而在声压正半周时，气泡受到压缩因突然崩溃而裂解成许多小气泡，以构成新的空化核。在气泡迅速收缩时，泡内的气体或蒸气被压缩，而在空化泡崩溃的极短时间，泡内产生约5000K的高温，类似太阳表面的温度；局部产生约500大气压的高压，相当于深海底的压力；温度变化率高达109K/s;并伴随产生强烈的冲击波和时速达400km的射流、发光现象，也可听到小的爆裂声。可见空化所提供的能量，使局部产生高压、高温、高梯度流动，为药材中难以提取的成分提供了一种新的提取途径。

    对超声空化的研究，始于20世纪30年代，在Monnesco和Frenzel等发现声发光（SL）后，由追索发光起因引起的对超声空化气泡运动的研究及对其基本效应的测量。他们采用对液体中超声空化群体气泡进行测量，研究丁“多泡空化”；到20世纪60年代*汪承灏、张德俊等在应崇福院士指导下，研究了用动力式方法产生的单一空化气泡的完整运动过程，并实验证明了空化的光辐射和电磁辐射均发生于气泡闭合时刻，他们还研究了空化的乳化作用及机械效应。20世纪80年代美国Gaitan和Crum等人采用声悬浮技术将单一气泡“囚禁”在容器的驻波场波腹处，使之与外加超声场同步产生周期性的空化过程，并进行了测量。这些成果都为超声在工农业、医学等方面的应用提供了理论基础，也为超声空化的测量提供了条件。

    1．空化强度的测量

    根据目前的报导，超声空化强度还没有一种的测定方法，但超声在实际中的应用效果在某些方面是与空化强度有着直接关系，所以想方设法测量空化强度在实际应用中有着重要的意义。而空化强度不但和空化泡闭合时所产生的压力大小、单位体积中的空化泡数量有关，还与各种类型的空化泡有关，所以只能测量相对强度。目前主要是从超声清洗的角度研究，以直接衡量超声清洗的效果，其方法有：

    腐蚀法：将厚度约20um的铝、锡或铅箔置于声场中一定距离上受空化腐蚀，在一定的时间内取出，称出腐蚀样的重量，以衡量相对的空化强度，这种方法称之为膺蚀法。这种方法可测量由液体表面到不同深度的相对空化强度。测量的方法是要求金属样品表面光洁度*，进行多次测量，以求出平均值。

    化学法：将*置于*中，在声空化作用下以释放出碘的多少，来衡量相对的空化强度，这种方法称为化学法。这种方法是用分光光度计或者放射性示踪方法作释放碘的定量测定。因为在超声强度为5 - 30 W/cm2，处理1 min，碘的释放量随声强的增加而增加，故以释放量的大小，测定其空化强度。

    清除污物法：用带有放射性污物的工件作为清洗样品，用超声清洗后，定量测量污物除去的数量，以此衡量超声清洗的效果或相对的空化强度，这种方法称之为清除污物法。在实际应用中还有测量空化噪声的方法等，在此不多述了。

    2．超声空化的消极作用及应用

    由于声空化现象产生气泡的非线性振动以及它们破灭时产生爆破压力，所以伴随空化现象能产生许多物理和化学效应。这些效应有消极方面的作用，但也有在工程技术中得到应用的方面。如舰船用的高速旋转的螺旋桨桨叶的表面，常受到空化产生的压力打击作用，“腐蚀”成一些斑痕。空化严重时，大量气泡的出现会影响螺旋桨的推力。在民用工业中，空化“腐蚀”会损坏管道和器件。然而，利用空化产生的激波打击作用，或气泡闭合的局部高温可以在工业中得到有益的利用。如超声清洗，就是利用声波进复杂构造异形的孔道，借助超声空化能对放在洗涤剂中的机件微型机件清洗；也可在锅炉中进行超声除垢和防水垢沉积；还可利用空化对药剂生产过程进行乳化，在工业上制备油一水，油一之类混合溶液的乳剂；进行超声焊接（破坏金属表面氧化层，促金属焊接）；利用超声空化促进某些化学反应过程；打破植物细壁，促进化学成分向溶剂中溶解，提高化学成分提出率等应用。