超声波知识介绍

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翻新时间：2023-08-07

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超声波知识介绍

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超声学是声学的一个重要分支或组成部分。它以研究超声在各种物质中产生、传播、接收及与物质的相互作用、产生的各种效应和应用为主要内容。声波属于机械波，是机械振动在弹性媒质中的传播。现代声学已涵盖了从10～4～1014Hz的频率范围，相当于从大约3小时振动一次的次声到波长短于固体中原子间距的分子热振动，即跨越了1018量级的宽广频段。

超声是指频率高于可听声频率范围的声波。现代声学中规定人耳可听到的声波频率上限为2×104Hz。一般而言，人们通常所说的超声是指频率高于20KHz.的声波;而把频率高于108Hz的超声波称为特超声。在超声频段中，108～1012Hz频段的超声因与电磁波谱中的微波频段相对应，故又称为微波超声。

超声波传播一般具有一定的功率范围，传播方式不同，功率范围也不一样。连续波超声一般在毫瓦──几十千瓦范围。脉冲波超声可扩充为几分之一毫瓦──几兆瓦。相应地，从声强角度看，聚焦连续波超声在液体中，因受空化的限制，上限约可达几十千瓦每平方厘米;而聚焦脉冲超声在焦斑中心，甚至可达几十兆瓦每平方厘米。由于脉冲波超声具有更大的功率范围和更强的声强强度，现代超声应用如超声清洗、超声细胞粉碎大都采用脉冲波超声。

超声在气体、液体、固体、固熔体等物质中，均能有效地传播。不同频率、功率、强度的超声波，在不同媒质中，都具有其独特的传播特性及效应，因而也有其相应的研究内容及广泛的应用。经过几十年的研究，随着超声研究的不断深入，超声的应用也越来越广泛。

超声波技术已广泛应用于工业、农业、医药、卫生、国防等领域，尤其在提取中草药成份方面的应用正受到越来越多的重视。超声波特性主要有如下几方面：

1、空化效应：

当大能量的超声波作用于提取介质时，在振动处于稀疏状态时，介质被撕裂成许多小空穴，这些小空穴瞬时即闭合，闭合时产生高达几千大气压的瞬时压力，即空化现象。在超声场中液体中的微小气泡首先经历气泡的振荡及生长过程，既稳态空化;然后是气泡的压缩和崩溃过程，即瞬态空化。空化中产生的极大压力造成被破碎物细胞壁及整个生物体破裂，而且整个破裂过程在瞬间完成，提高了破碎速度，缩短了破碎时间，可极大地提高提取效率。超声波作用时其效果不仅取决于超声波的强度和频率，而且与被破碎物的结构功能有一定关系。由于提取介质中气泡尺寸不是单一的，而是存在一个分布范围，所以超声波频率应有一定范围的变化，即有一个带宽。

2、热效应：

超声波在媒质质点传播过程中其能量不断被媒质质点吸收变成热能，导致媒质质点温度升高，即超声波热学机制。气泡崩塌之后，泡内“热点”骤然冷却，冷却速度达108K/s。这相当于金属熔浆放入液氮的急剧冷却速率。

3、机械搅拌：

超声的高频振动及辐射压力可在气、液体中形成有效的搅动与流动，可使媒质质点在其传播空间内进入振动状态强化细胞内物质的释放、扩散及溶解;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磨擦力，并破坏固-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。

4、强化扩散：

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─固、液─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、雾化可归为此类作用。

5、乳化作用：

空化气泡闭合后产生的局部冲击波，可粉碎液体中的颗粒，使其细化;使结晶均匀;将较大、不均匀乳滴分散为微小均匀药剂(如医用造影剂、治癌药剂等);甚至可包括消溶血栓等作用。

6、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，增加相碰撞机会;或利用驻波使它们趋于波腹处，从而发生凝聚过程。烟道收尘、人工降雨可属此类。

7、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。