超声波的作用原理
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| 超声波的作用原理 |
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作者：佚名 转贴自：http://www.hellochem.com/chemyq/bbsInfo.asp?CID=9389 点击数：247 更新时间：2006/10/17 文章录入：夏晶晶
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从广义上讲，声波应包括次声波、声波即人耳能够听得见的声音、超声波及微波超声。而超声波只是声波的一小部分。由于在液体中常用的声波频率为1 OkHz--l OMHz，对应的声波波长为10cm-0.015cm，远大于分子尺寸。因此，超声波对化学反应的促进作用不是来自声波与物质分子的直接作用，而是由于声空化作用、机械作用以及热作用。
(1)热作用
连续波的热效应:超声波在媒质中传播时，其振动能量不断地被媒质吸收及内摩擦，而转变为热能，在一定时间内的超声连续作用，可使媒质中声场区域产生温升。适当控制温升温度及温升区域，可实现超声局部加热治疗癌病。也可用做超声热敷及透入止痛药剂。空气中的大功率、高强度连续超声，还可以产生消毒、杀菌效果。 瞬时热效应:主要指空化气泡闭合产生的瞬间高温。可用于高强度聚焦超声治癌及超声外科手术。
(2)机械作用
在某些情况下，超声效应的产生并不伴随发生明显的热量(如当频率较低,吸收系数较小，超声作用时间较短时)，就不能把超声效应的原因归结为超声的热机制。超声波是机械能量的传播形式，与波动过程有关的力学量，如质点位移、振动速度、加速度及声压等的变化都可能与超声效应有关，当20kHz, 1 Wcm^-2的超声波在水中传播时，对应的声压辐值为1.37x10^-5N m^-2，即声压值每秒钟要在173kPa到一173kPa之间变化2万次(即20kHz )，最大质点加速度为1.44x 1O4m_s^-2，大约为重力加速度的1500倍。显然，这样激烈而快速变化的机械运动完全可能对超声效应的产生做出一定的贡献。
机械搅拌:超声的高频振动及辐射压力可在气、液体中形成中有效的搅动与流动。空化气泡振动对固体表面产生的强烈射流及局部微冲流，均能显著减弱液体的表面张力及摩擦力，并破坏固一液界面的附面层，因而达到普通低频机械搅动达不到的效果。这一作川是药物透入，美容uu导入皮肤，超声除气，食物及化妆品调匀细化等应用的物理纂础。
相互扩散:利用超声振动及空化的压力、高温效应，促使两种液体，两种固体，或液一固、液一气界面之间，发生分子的相互渗透，形成新的物质属性。金属或塑料的超声焊接，超声乳化、清洗、雾化就是相互扩散作用的结果。
凝聚作用:超声振动可使气、液媒质中悬浮粒子以不同速度运动，增加相互碰撞机会;或利用驻波使它们趋十波腹处，从而发生凝聚过程。烟道收尘、人工降雨属于此类。
机械粉碎作用:利用高强度超声脉冲，可以粉碎人体内的肾结石和胆结石而不损伤软组织。
(3)空化作用
在液体介质中由于涡流或超声波的物理作用，液体中某一区域会形成局部的暂时的负压区，于是在液体介质中产生空化气泡，简称为空穴或气泡。超声波在介质传播过程中存在一个正负压强的交变周期，使液体介质发生断裂，产生微泡，微泡进一步长大成空化气泡。这些气泡随着声场的变化而继续长大直体中的微气核(空化核)在声场作用下产生、溃陷和消失的动力学过程，就叫溶液的声空化现象，也叫孔蚀现象。
这些空化气泡据所含气体而台’，可以分为四种类型:①接近真空的气泡;②含蒸气的气泡:③含气体的气泡;④含蒸气和气体的气泡。根据空化气泡的稳定性，空化气泡可以分为亚稳气泡和稳定气泡。亚稳气泡是指接近真空的气泡和含蒸气的气泡。一般认为是在强度超过10w cm^-2的超声波作用下产生的。而稳定气泡一般是指含有气体的气泡及含蒸气和气体的气泡。是在较低强度(~2W cm^-2)的超声波作用下产生的。
在空化气泡崩溃闭合时产生局部高温、高压和发光。液体中的微小气核在声场的作用下的响应可能是缓和的，也可能是强烈的，根据对声场的响应程度，人们一般将声空化分为稳态空化和瞬态空化两种类型。
稳态空化是一种较长寿命的气泡振动，常持续几个周期，而且振动常是非线性的，一般在较低声强(小于l OW cm-2)时产生。这种在声场中振动的气泡，由于在膨胀相气泡的表面积比在压缩相的大，使膨胀时扩散到泡内的气体比压缩时扩散到泡外的多(即所谓“整流扩散”)而使气泡胀大，气泡崩溃闭合时会产生局部的高温、高压。当振动振幅足够大时，有可能由稳态空化转变为瞬间空化。瞬态空化一般在声强较高时(大于10 W cm-2)发生，只在一个声周期内完成。在声压为负周期时，液体受到大的拉力，气泡核迅速胀大，可达到原来的数倍，继而在声压正周期时，气泡受压缩而突然崩溃、裂解成许多小气泡，从而构成新的空化核。在气泡崩溃时，其周围极小的范围内产生出7000-19000K
的高温和超过500atm的高压，温度变化率高达10^9Ks^-1，并伴有强烈的冲击波和时速达400km的射流及放电发光瞬间过程。瞬态空化伴随发生的高温导致自由基的形成及声致发光的发射，而高压的释放，将在液体中形成强大的冲击波(均相)或高速(>110m/s)射流(非均相)。所以说，声空化作用是超声化学反应的基础，而声场中自由基是化学反应的有力介质，这些都为促进或启通化学反应创造了一个极端的物理环境。因此，瞬态空化被看成是声化学反应的主动力。
然而，并不是所有微泡都会产生空化效应，当超声波频率超过微泡的振动频于微泡的振动频率时，气泡半径趋于负值而不断增大，当声压为正压力时，由于气泡表面振动的惯性作用，仍以一定的表面速度膨胀，当达到某一最大值后就开始收缩。在正压作用下，收缩速度就越来越快，以至迅速溃陷。从空化气泡达到最终溃陷的时间约为10^-8秒的数量级。
声空化的基本动力学问题是确定两个弯曲介质(气一液)内的压力和速度场与泡壁运动速度关系。空化气泡塌陷时的微泡动力学的精确计算，目前尚未解决，现在有的都是简化模型。空化气泡内温度和压力分布的精确计算和实际测量仍是一个有待解决的课题。
许多因素如声频率、声强度、溶液温度、静压力、溶剂和环境气体的种类都会对超声的空化作用发生影响。 |
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