超声波基本原理
时间:2012-10-23 阅读:21380
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。