超聲波機(jī)械效應(yīng)

 超聲波能量作用于介質(zhì)，會(huì)引起質(zhì)點(diǎn)高速細(xì)微的振動(dòng)，產(chǎn)生速度、加速度、聲壓、聲強(qiáng)等力學(xué)量的變化，從而引起機(jī)械效應(yīng)。超聲波是機(jī)械能量的傳播形式，與波動(dòng)過(guò)程有關(guān)，會(huì)產(chǎn)生線性效變的振動(dòng)作用。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，質(zhì)點(diǎn)位移振幅雖然很小 ，但超聲引起的質(zhì)點(diǎn)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(fù)173kPa之間變化2萬(wàn)次，質(zhì)點(diǎn)的加速度達(dá)1440km/s2,大約為重力加速度的1500倍，這樣激烈而快速變化的機(jī)械運(yùn)動(dòng)就是功率超聲的機(jī)械振動(dòng)效應(yīng)。

當(dāng)超聲介質(zhì)不是均勻的分層介質(zhì)時(shí)(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(diǎn)(例如生物分子)的質(zhì)量不同，則壓力變化引起的振動(dòng)速度有差異，使介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所造成的壓力變化，是引起超聲機(jī)械效應(yīng)的另一原因。利用超聲的機(jī)械效應(yīng)應(yīng)進(jìn)行加工處理(打孔、切
割、壓實(shí)、表面強(qiáng)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(guò)程。

超聲的機(jī)械作用在生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)舉例如下。

機(jī)械攪拌

超聲的高頻振動(dòng)及輻射壓力可在氣、液體中形成有效的攪動(dòng)與流動(dòng)。空化氣泡振動(dòng)對(duì)固體表面產(chǎn)生的強(qiáng)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(dá)到普通低頻機(jī)械攪動(dòng)達(dá)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(xì)化等應(yīng)用的物理基礎(chǔ)。

相互擴(kuò)散

利用超聲振動(dòng)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(lèi)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(xì)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(dòng)可使氣、液媒質(zhì)中懸浮粒子以不同速度運(yùn)動(dòng)，增加相碰撞機(jī)會(huì);或利用駐波使它們趨于波腹處，從而發(fā)生凝聚過(guò)程。煙道收塵、人工降雨可屬此類(lèi)。

機(jī)械切削作用

因超聲振動(dòng)加速度甚大，加上空化的聲腐蝕作用，可對(duì)硬脆材料(寶石、陶瓷、玻璃、磁鋼等)進(jìn)行特形精密加工。

粉碎作用

利用高強(qiáng)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。