超声波的特性解析

6.1.1.1 超声波的空化作用

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，致使某些地方形成局部的暂时负压区，从而引起液体或液-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、发育和随后迅速闭合的过程。当它们迅速闭合破灭时，会产生一微激波，因此局部有很大的压强。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。若空化是由超声波引起的，就称为超声空化。

空化作用一般包括3个阶段：空化泡的形成、长大和剧烈的崩溃。当盛满液体的容器通入超声波后，由于液体振动而产生数以万计的微小气泡，即空化泡。这些气泡在超声波纵向传播形成的负压区生长，而在正压区迅速闭合，从而在交替正、负压力下受到压缩和拉伸。在气泡被压缩直至崩溃的一瞬间，会产生巨大的瞬时压力，一般可高达几十兆帕至上百兆帕。Suslick等人测得：空化可使气相反应区的温度达到5200K左右，液相反应区的有效温度达到1900K左右，局部压力为5.05×10kPa，温度变化率高达10K/s，并伴有强烈的冲击波和时速达400km的微射流。这种巨大的瞬时压力，可以使悬浮在液体中的固体表面受到急剧的破坏。通常将超声波空化分为稳态空化和瞬间空化两种类型。稳态空化是指在声强较低（一般小于10W/cm²）时产生的空化泡，其大小在其平衡尺寸附近振荡，生成周期达数个循环。当扩大到使其自身共振频率与声波频率相等时，发生声场与气泡的最大能量耦合，产生明显的空化作用。瞬态空化则是指在较大的声强（一般大于10W/cm²）作用下产生的生存周期较短的空化泡（大都发生在1个声波周期内）。

超声波广泛运用于各个领域就是应用了其空化作用以及其空化伴随着的机械效应、热效应、化学效应和生物效应等。机械效应主要表现在非均相反应界面的增大，化学效应主要是由于空化过程中产生的高温、高压使得高分子分解、化学键断裂及产生自由基等。利用机械效应的过程包括吸附、结晶、电化学、非均相化学反应、过滤以及超声清洗等，利用化学效应的过程则主要包括有机物降解、高分子化学反应以及其他自由基反应。

超声波空化作用的强弱与声学参数以及液体的物理化学性质有关。表6.1-2给出了影响超声波空化的因素。

表6.1-2 超声波空化的影响因素

由于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或化学效应。这些效应有腐蚀破坏工件的消极作用，也有在工程技术中得到应用的积极作用，特别是在超声加工和超声清洗中发挥了重要的积极作用。

6.1.1.2 超声波的传播特性

1.超声加速度

超声波在介质中传播时，介质质点振动振幅虽小，但频率很高，加速度可达重力加速度的几十万倍甚至百万倍，每平方厘米强度可达几瓦，在介质中可造成巨大的压强变化，超声波的这种力学效应叫机械作用。这是因为超声波在介质中传播，介质质点交替压缩与伸张形成交变声压，从而获得巨大加速度（如在频率为800～1000kHz、声强为0.5～2W/cm²的超声波作用下，水分子得到的加速度可以达到5～10万g）。这是一个很惊人的数字，它在超声加工、超声处理技术中有着重要的作用。

2.超声波的反射和折射

当声波从一种介质向另一种介质传播时，如果两者的声阻抗不同，就会在其分界面上产生反射和透射现象，使一部分能量返回第一种介质，另一部分能量穿过界面进入第二种介质而继续向前传播。

如果界面的尺寸大于声束的直径，称为大界面。这时，其反射规律遵循几何光学的反射定律：反射角β等于入射角α，如图6.1-1所示。显然，当超声的入射角大于0°时，由于反射角等于入射角，反射的声束很难被同一探头所接收。所以在接收时应注意侧动探头，使入射声束方向与被探物体器的表面垂直，以期得到尽可能多的回声。(www.xing528.com)

反射波的强弱是由两种介质的声阻抗差所决定的，声阻抗差越大，反射越强。

如果界面的尺寸小于声束的直径，称为小界面。当入射超声遇到小界面时，呈散射模式，即反射无一定的方向。这时，探头所接收到的散射回声的强度与入射角无明显的关系。

如果界面的尺寸小于半个波长（λ/2）时，超声即绕过此界面而继续向前传播，不产生任何反射，这种现象称为衍射。

这就告诉我们，从理论上讲，超声所能识别的最小界面的尺寸应接近于λ/2。也就是说，采用较高频率（波长短）的超声波，其识别能力就高些。比如，2.5MHz的超声的波长为0.6mm，所能识别的最小界面是0.3mm。5MHz的超声，其波长为0.3mm，所能识别的最小界面则是0.15mm。由此可见，探测小的物体，应选用较高频率的探头。

穿过大界面的透射声束，当两种介质的声速不同时，就会偏离入射声束的方向而传播，这种现象称为折射（见图6.1-1）。当入射角大于某一临界角时，其折射的声束会重新进入第一种介质，而完全不能进入第二种介质，造成第二种介质中的“失照现象”，这种现象叫做全反射。

6.1.1.3 超声波的吸收和衰减

声波在各种介质中传播时，由于介质要吸收掉它的一部分能量，所以，随着传播路程的增加，声波的强度会逐渐减弱。

图6.1-1 超声波的反射与折射

在一个广场上，一个乐队正在街头演出，许多人前去观看和欣赏那动听的音乐。当你从远处走近这个乐队时，首先听到的是那音调低沉的鼓声，随着你慢慢走近乐队，你就逐渐听到了锁呐声、笛声、二胡声等。当你最后走到乐队周围时，你才听到了那音调很高的清脆的铃声。

这个例子，很生动地说明了各种不同频率的声波，在空气中传播时被吸收的程度是不同的。频率越高的声波，空气对它的吸收越强，所以它传播的距离较短。例如，上述乐队中音调很高的铃声，因其频率很高，空气对它的吸收作用很强，所以传不远。反之，对频率越低的声波，空气对它的吸收较少，因此它传播的距离较长。上述乐队中音调低沉的大鼓声音传得很远，正是由于它的频率很低的缘故。

声波在介质中传播时，被吸收而衰减的另一个特点是对于同一个声波，当它在固体、液体或气体以及各种不同物质中传播时，它被吸收的程度也是不同的。对于一个频率固定的声波来说，在气体中传播时，它被吸收得最多；在液体中传播时，它被吸收得较少；而在固体中传播时，则被吸收得最少。所以，声波在空气中传播得最短，在水中则可传播得远一些，而在金属中则能传播得很远。

以上关于声波吸收的两个特性，无论对可听声波，或是对超声波都是适用的。对于超声波来讲，由于它的频率很高，所以它在空气中传播时，被吸收得特别厉害。据科学家们的实验，频率为10¹⁰Hz的超声波，在它离开声源的一刹那间，马上会被空气全部吸收掉。