超声波基本原理

  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，粒度极大的物质（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

使物质质点产生了极大的加速度。

    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，由于声场中的频率、

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

表面光洁度一致，进行多次测量，以求出平均值。

    化学法：将碘化钠置于四氯化碳中，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。