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超聲波機械效應(yīng)

更新時間:2022-06-07點擊次數(shù):2692

 超聲波能量作用于介質(zhì),會引起質(zhì)點高速細微的振動,產(chǎn)生速度、加速度、聲壓聲強等力學(xué)量的變化,從而引起機械效應(yīng)。超聲波是機械能量的傳播形式,與波動過程有關(guān),會產(chǎn)生線性效變的振動作用。超聲波在介質(zhì)中傳播時,質(zhì)點位移振幅雖然很小 ,但超聲引起的質(zhì)點加速度卻非常大。

若20kHz、1W/cm2的超聲波在水中傳播,則其產(chǎn)生的聲壓幅值為173kPa,這意味著聲壓幅值每鐘內(nèi)要在正負173kPa之間變化2萬次,質(zhì)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機械振動效應(yīng)。

當超聲介質(zhì)不是均勻的分層介質(zhì)時(例如生物組織、人體等),各層介質(zhì)的聲阻抗不同將使傳播的聲波產(chǎn)生反射、形成駐波,駐波的波腹、波節(jié)造成壓力、張力和加速度的變化。由于不同介質(zhì)質(zhì)點(例如生物分子)的質(zhì)量不同,則壓力變化引起的振動速度有差異,使介質(zhì)質(zhì)點間的相對運動所造成的壓力變化,是引起超聲機械效應(yīng)的另一原因。利用超聲的機械效應(yīng)應(yīng)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(zhì)、乳化、粉碎、殺菌等其他過程。

超聲的機械作用在生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用,現(xiàn)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(chǎn)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(dǎo)人皮膚,超聲除氣,食品及化妝品調(diào)勻細化等應(yīng)用的物理基礎(chǔ)。

相互擴散

利用超聲振動及空化的壓力、高溫效應(yīng),促使兩種液體,兩種固體,或液-固、液氣界面之間,發(fā)生分子的相互滲透,形成新的物質(zhì)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(chǎn)生的局部沖擊波,可粉碎液體中的顆粒,使其細化;使結(jié)晶均勻;將較大、不均勻乳滴分散為微小均勻藥劑(如醫(yī)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(zhì)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(fā)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(nèi)的腎結(jié)石和膽結(jié)石而不損傷軟組織。


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