超聲波機械效應超聲波能量作用于介質,會引起質點高速細微的振動,產生速度、加速度、聲壓、聲強等力學量的變化,從而引起機械效應。超聲波是機械能量的傳播形式,與波動過程有關,會產生線性效變的振動作用。超聲波在介質中傳播時,質點位移振幅雖然很小 ,但超聲引起的質點加速度卻非常大。
若20kHz、1W/cm2的超聲波在水中傳播,則其產生的聲壓幅值為173kPa,這意味著聲壓幅值每鐘內要在正負173kPa之間變化2萬次,質點的加速度達1440km/s2,大約為重力加速度的1500倍,這樣激烈而快速變化的機械運動就是功率超聲的機械振動效應。
當超聲介質不是均勻的分層介質時(例如生物組織、人體等),各層介質的聲阻抗不同將使傳播的聲波產生反射、形成駐波,駐波的波腹、波節造成壓力、張力和加速度的變化。由于不同介質質點(例如生物分子)的質量不同,則壓力變化引起的振動速度有差異,使介質質點間的相對運動所造成的壓力變化,是引起超聲機械效應的另一原因。利用超聲的機械效應應進行加工處理(打孔、切
割、壓實、表面強化、焊接、清洗、拋光及去除不希望的薄膜和臟物等),也用于加速分散、均質、乳化、粉碎、殺菌等其他過程。
超聲波機械效應作用在生產中得到了廣泛的應用,現舉例如下。
機械攪拌
超聲的高頻振動及輻射壓力可在氣、液體中形成有效的攪動與流動。空化氣泡振動對固體表面產生的強烈射流及局部流,均能顯著減弱液體的表面張力及摩擦力,并破壞固-液界面的附面層,因而達到普通低頻機械攪動達不到的效果。這一作用是藥物透人,美容品導人皮膚,超聲除氣,食品及化妝品調勻細化等應用的物理基礎。
相互擴散
利用超聲振動及空化的壓力、高溫效應,促使兩種液體,兩種固體,或液-固、液氣界面之間,發生分子的相互滲透,形成新的物質屬性。金屬或塑料的超聲焊接,超聲乳化、清洗、霧化可歸為此類作用。
均勻化
空化氣泡閉合后產生的局部沖擊波,可粉碎液體中的顆粒,使其細化;使結晶均勻;將較大、不均勻乳滴分散為微小均勻藥劑(如醫用造影劑、治癌藥劑等);甚至可包括消溶血栓等作用。
凝聚作用
超聲振動可使氣、液媒質中懸浮粒子以不同速度運動,增加相碰撞機會;或利用駐波使它們趨于波腹處,從而發生凝聚過程。煙道收塵、人工降雨可屬此類。
機械切削作用
因超聲振動加速度甚大,加上空化的聲腐蝕作用,可對硬脆材料(寶石、陶瓷、玻璃、磁鋼等)進行特形精密加工。
粉碎作用
利用高強度超聲脈沖,可以粉碎人體內的腎結石和膽結石而不損傷軟組織。