超音波是聲波的一部分，是人耳聽不見、頻率高於20KHZ的聲波，它和聲波有共同之處，即都是由物質振動而產生的，並且只能在介質中傳播;同時，它也廣泛地存在於自然界，許多動物都能發射和接收超音波，其中以蝙蝠最為突出，它能利用微弱的超聲回波在黑暗中飛行並捕捉食物。但超聲還有它的特殊性質'如具有較高的頻率與較短的波長，所以，它也與波長很短的光波有相似之處。
基本介紹
- 中文名：超音波基本原理
- 屬於：超音波是聲波的一部分
- 頻率：20KHZ
- 產生原因：物質振動
基本原理,特性,吸收特徵,能量大,空化現象,
基本原理
超音波是聲波的一部分，是人耳聽不見、頻率高於20KHZ的聲波，它和聲波有共同之處，即都是由物質振動而產生的，並且只能在介質中傳播；同時，它也廣泛地存在於自然界，許多動物都能發射和接收超音波，其中以蝙蝠最為突出，它能利用微弱的超聲回波在黑暗中飛行並捕捉食物。但超聲還有它的特殊性質'如具有較高的頻率與較短的波長，所以，它也與波長很短的光波有相似之處。
特性
超音波是彈性機械振動波，它與可聽聲相比還有一些特點：傳播的方向較強，可聚集成定向狹小的線束；在傳播介質質點振動的加速度非常之大；在液體介質中當超聲強度達到一定值後便會發生空化現象。
一、束射特性
從聲源發出的聲波向某一方向（其他方向甚弱）定向地傳播，稱之為束射。 超音波由於它的波長較短，當它通過小孔（大于波長的孔）時，會呈現出集中的一束射線向一定方向前進。又由於超聲方向性強，所以可定向採集信息。同樣當超音波傳播的方向上有一障礙 物的直徑大于波長時，便會在障礙物後產生“聲影”。這些猶如光線通過小孔和障礙物一樣，所以超音波具有和光波相似的束射特性。
超音波的束射性的好壞，一般用發散角的大小來衡量（習慣上
用半發射角臼表示）。以平面圓形活塞式聲源為例，其大小決定
於聲源的宜徑(D)和聲波的波長(λ)。由此看出，要使發聲體發射出方向性有較好的超音波，必須使θ角儘量小，發射體（聲源）的直痙D必須很大或發射的頻率f也必須很高才能得到，否則將適得其反。由於超音波的波長要比可聽聲的波長短，所以它就比可聽聲波有較好的束射特性，頻率愈高的超音波，波長愈短，這種向一定方向傳播的特性就愈顯著。
吸收特徵
超音波在各種介質傳播時，隨著傳播距離的增加，超聲強度會漸漸減弱，能量逐漸消耗，這種能量被介質吸收掉的特性，稱之為聲吸收。1845年斯托克斯(Stoke。G．G．)發現：當聲波通過液體，因液體質點相對運動而產生的內摩擦（即粘滯作用）導致聲吸收，因而導出了由介質的內摩擦或粘性引起的液體中聲吸收公式。還有，當聲波在液體介質中傳播時，壓縮區的溫度將高於平均溫度；相反，稀疏區的溫度低於平均溫度，因此，由於熱傳導使聲波的壓縮和稀疏部分之間進行熱交換，從而引起聲波能量的減少1868年基爾霍夫(Kirchhoff G.)導出了由熱傳導引起的聲吸收公式。
由此看出，吸收係數a與聲波頻率的平方成正比，當頻率增加10倍，則吸收係數就增大100倍。即頻率愈高，吸收愈大，因而聲波傳播的距離愈小。在氣體中，1920年愛因斯坦提出了由聲頻散來確定締合氣體的反應率，從而促進了對氣體分子熱弛豫吸收機制延伸到液體的研究，得出了由於介質中的分子相互之間的碰撞引起分子熱弛豫吸收。所以低頻聲波在空氣中可以傳播很遠距離，而高頻聲波在空氣中很快的衰減了。
在固體中，聲吸收在很大程度上取決於固體的實際結構。
由以上看出引起不同介質對聲吸收的原因很多，但主要原因是介質的粘滯性、熱傳導、介質的實際結構及介質的微觀動力學過程中引起的弛豫效應等，這些介質中的聲吸收都隨著聲的頻率而變化。超音波是高頻率的聲波，在同一介質中傳播時，隨著頻率的增大，被介質吸收的能量就愈大。例如頻率為
Hz的超音波在空氣中被吸收的能量比頻率為
Hz的聲波大100倍；對同一頻率的超音波因傳播的介質不同。如在氣體、液體、固體中傳播時，其吸收分別為最厲害、較弱、最小。所以超音波在空氣中傳播距離最短。
超音波在均勻介質中傳播時，由於介質的吸收，而影響聲強度隨距離的增加而減弱，這就是聲波衰減。
當超音波起始強度為J0，經過x米距離後，其強度為
Jx= Joe-2ax“ ’
式中a為吸收係數（衰減係數）。
由上可得在各種介質中聲波的吸收係數，
由此看出超聲強度是以指數而衰減的。例如頻率為106Hz的超音波在離開聲源以後，在空氣中經過0. 5m距離，其強度就要減弱一半；在水中傳播，要經過500m的距離後才使強度減弱一半，
可看出在水中傳播的距離相當於在空氣中傳播距離的1000倍。隨著頻率的增高，衰減越快。如頻率為1011Hz的超聲在空氣中傳播，當在離開聲源的一剎那間就會全部消失得無影無蹤。在粘度很大的液體中，超聲被吸收得更快。例如在200C時，使頻率為300kHz的超聲的強度減至一半，只需0.4m厚的空氣就夠了，至
於在水中就要經過440m，在變壓器油中就要傳播100m左右，而在石蠟中只需傳播3m左右。因此，粒度極大的物質（橡皮、膠木、瀝青）則是超音波良好的絕緣體。
能量大
超音波傳播的能量比可聽聲大得多。因為當聲波到達某一物質時，由於聲波的作用使物質中的分子也跟著振動，振動的頻率和聲波頻率一樣，所以分子振動頻率決定了分子振動的速度，頻率越高速度越大。從而物質的分子由振動而獲得了能量，其能量除了與分子的質量有關外，還與分子的振動速度的平方成正比，而振動速度又與分子振動的頻率有關，所以聲波的頻率越高，也就是物質分子得到的能量越高。超音波的頻率比聲波的頻率可高得多，所以超音波可使物質分子獲得更大的能量。由此說明超音波本身可
以供給物質足夠大的能量。
我們平常人耳能聽到的聲波頻率低、能量小。如高聲談話聲約等於50uW/cm2的強度。但超音波所具有的能量就比聲波大得多。例如頻率為
Hz的超聲振動所具有的能量，比振幅相同而頻卒為
Hz的聲波振動的能量要大100萬倍，因為聲波的能量與頻率的平方成正比。由此看出，主要是超音波的巨大機械能量
使物質質點產生了極大的加速度。
在一般工作中，正常響度的揚聲器的聲強為
W/cm2；炮的射擊聲的聲強為
W/cm2；中等響度的聲音使水的質點所獲得的加速度只有重力加速度（980cm/s2）的百分之幾，所以不會對水產生影響。然而如果把超聲作用於水中，使水質點所達到的加速度可能比重力加速度大幾十萬倍甚至幾百萬倍，所以就會使
水質點產生急速運動。它在超聲提取中有著極其重要的作用。
空化現象
空化現象是液體中常見的一種物理現象。在液體中由於渦流或超音波等物理作用，致使液體的某些地方形成局部的負壓區，從而引起液體或液體一固體界面的斷裂，形成微小的空泡或氣泡。液體中產生的這些空泡或氣泡處於非穩定狀態，有初生、發育、隨後迅速閉合的過程，當它們迅速閉合破滅時，會產生一種微激波，使局部區域有很大的壓強。這種空泡或氣泡在液體中形成和隨後迅速閉合的現象，稱為空化現象。
關於空化基本過程以及空化與沸騰的區別簡述如下：當液體在恆壓下加熱或在恆溫下用靜力或動力方法減壓時，可達到茌液體中有蒸氣空泡或充滿氣體的空泡（或空穴）開始出現並發育，隨後又閉合。這一狀態若由溫度升高所引起，稱之為“沸騰”；若溫度基本不變而由局部壓力下降所引起，稱之為“空化”。
由以上空化基本過程看出空化有以下特徵：空化是一種液體中出現的現象，在任何正常環境下，固體或氣體都不會發生空化；空化是液體減壓的結果，因此大體上可由控制減壓程度來控制空化現象；空化是一種動力學現象，它涉及空泡的發育與閉合。
超聲空化是強超聲在液體中傳播時，引起的一種特有的物理現象，也是引起液體中空腔的產生、長大、壓縮、閉合、反跳快速重複性運動的特有的物理過程。在空泡崩潰閉合時產生局部高壓、高溫，由於聲場中的頻率、聲強和液體的表面張力、粘度以及周圍環境的溫度和壓力等影響，液體中的微小氣核在聲場的作用下回響可能是緩和的，也可能是強烈的。故人們將聲空化分為穩態和瞬態兩種空化類型。
穩態空化主要是指那些內含氣體和蒸氣的空化泡的動力學行為，是一種較長壽命的氣泡振動。這種空化過程一般在小於1W/cm2聲強時產生，空化氣泡振動時間長，且持續幾個聲波周期。在聲場中這種振動氣泡，由於在膨脹時氣泡的表面積比壓縮時大，使膨脹時擴散到泡內的氣體比壓縮時擴散到泡外的多，而使氣泡在振動過程中增大。當振動振幅足夠大時，會使氣泡由穩態轉變為瞬態空化，繼而發生崩潰。
瞬態空化一般指在大於1W/cm2的聲強時所產生的空化氣泡，振動只在一個聲周期內完成。這種在聲場中振動的氣泡，當聲強足夠高、聲壓為負半周時，液體受到大的拉力，氣泡核迅速脹大，可達到原來尺寸的數倍；繼而在聲壓正半周時，氣泡受到壓縮因突然崩潰而裂解成許多小氣泡，以構成新的空化核。在氣泡迅速收縮時，泡內的氣體或蒸氣被壓縮，而在空化泡崩潰的極短時間，泡內產生約5000K的高溫，類似太陽表面的溫度；局部產生約500大氣壓的高壓，相當於深海底的壓力；溫度變化率高達109K/s;並伴隨產生強烈的衝擊波和時速達400km的射流、發光現象，也可聽到小的爆裂聲。可見空化所提供的能量，使局部產生高壓、高溫、高梯度流動，為藥材中難以提取的成分提供了一種新的提取途徑。
對超聲空化的研究，始於20世紀30年代，在Monnesco和Frenzel等發現聲發光(SL)後，由追索發光起因引起的對超聲空化氣泡運動的研究及對其基本效應的測量。他們採用對液體中超聲空化群體氣泡進行測量，研究丁“多泡空化”；到20世紀60年代中國科學院汪承灝、張德俊等在應崇福院士指導下，研究了用動力式方法產生的單一空化氣泡的完整運動過程，並實驗證明了空化的光輻射和電磁輻射均發生於氣泡閉合時刻，他們還研究了空化的
乳化作用及機械效應。20世紀80年代美國Gaitan和Crum等人採用聲懸浮技術將單一氣泡“囚禁”在容器的駐波場波腹處，使之與外加超聲場同步產生周期性的空化過程，並進行了測量。這些成果都為超聲在工農業、醫學等方面的套用提供了理論基礎，也為超聲空化的測量提供了條件。
空化強度的測量
根據目前的報導，超聲空化強度還沒有一種絕對的測定方法，但超聲在實際中的套用效果在某些方面是與空化強度有著直接關係，所以想方設法測量空化強度在實際套用中有著重要的意義。而空化強度不但和空化泡閉合時所產生的壓力大小、單位體積中的空化泡數量有關，還與各種類型的空化泡有關，所以只能測量相對強度。目前主要是從超聲清洗的角度研究，以直接衡量超聲清洗的效果，其方法有：
腐蝕法：將厚度約20um的鋁、錫或鉛箔置於聲場中一定距離上受空化腐蝕，在一定的時間內取出，稱出腐蝕樣的重量，以衡量相對的空化強度，這種方法稱之為膺蝕法。這種方法可測量由液體表面到不同深度的相對空化強度。測量的方法是要求金屬樣品表面光潔度一致，進行多次測量，以求出平均值。
化學法：將碘化鈉置於四氯化碳中，在聲空化作用下以釋放出碘的多少，來衡量相對的空化強度，這種方法稱為化學法。這種方法是用分光光度計或者放射性示蹤方法作釋放碘的定量測定。因為在超聲強度5 -30 W/cm2，處理1 min，碘的釋放量隨聲強的增加而增加，故以釋放量的大小，測定其空化強度。
清除污物法：用帶有放射性污物的工件作為清洗樣品，用超聲清洗後，定量測量污物除去的數量，以此衡量超聲清洗的效果或相對的空化強度，這種方法稱之為清除污物法。在實際套用中還有測量空化噪聲的方法等，在此不多述了。
超聲空化的消極作用及套用
由於聲空化現象產生氣泡的非線性振動以及它們破滅時產生爆破壓力，所以伴隨空化現象能產生許多物理和化學效應。這些效應有消極方面的作用，但也有在工程技術中得到套用的方面。如艦船用的高速旋轉的螺旋槳槳葉的表面，常受到空化產生的壓力打擊作用，“腐蝕”成一些斑痕。空化嚴重時，大量氣泡的出現會影響螺旋槳的推力。在民用工業中，空化“腐蝕”會損壞管道和器件。然而，利用空化產生的激波打擊作用，或氣泡閉合的局部高溫可以在工業中得到有益的利用。如超聲清洗，就是利用聲波複雜構造異形的孔道，藉助超聲空化能對放在洗滌劑中的機件微型機件清洗；也可在鍋爐中進行超聲除垢和防水垢沉積；還可利用空化對藥劑生產過程進行乳化，在工業上製備油一水之類混合溶液的乳劑；進行超聲焊接（破壞金屬表面氧化層，促金屬焊接）；利用超聲空化促進某些化學反應過程；打破植物細壁，促進化學成分向溶劑中溶解，提高化學成分提出率等套用。
一、 超聲原理概述超音波清洗的原理是發生器產的高頻振盪電信號。通過換能器轉換成高頻的機械振動，傳播到清洗液中，對工件實施高效的清洗。其工作機理是運用空化作用成倍或十幾售地提高清洗效果。當把液體放入清洗機內，施加超音波後，由於超音波在清洗液中是一種疏密相間，輻射傳播的高頻波，從而使液體高速往復振動。在振動的負壓區由於周圍的液體來不及補充，形成無數的微小真空氣泡，而在正壓區，微小氣泡在壓力下突然閉合，在閉合過程中由於液體間相互碰撞產生強大的衝擊波形成最高可達幾千個大氣壓的瞬時高壓，作用在被清洗的工件上。吸附在工件上的油膩、雜質在連續不斷的瞬時高壓作用下迅速脫離工件。從而達到清潔的目的。 超音波的兩個主要參數 超音波的兩個主要參數： 頻率：F≥20KHz； 功率密度：p=發射功率(W)/發射面積(cm2);通常p≥0.3w/cm2; 在液體中傳播的超音波能對物體表面的污物進行清洗，其原理可用“空化”現象來解釋：超音波振動在液體中傳播的音波壓強達到一個大氣壓時，其功率密度為0.35w/cm2，這時超音波的音波壓強峰值就可達到真空或負壓，但實際上無負壓存在，因此在液體中產生一個很大的壓力，將液體分子拉裂成空洞一空化核。此空洞非常接近真空，它在超音波壓強反向達到最大時破裂，由於破裂而產生的強烈衝擊將物體表面的污物撞擊下來。這種由無數細小的空化氣泡破裂而產生的衝擊波現象稱為“空化”現象。 太小的聲強無法產生空化效應。 超音波清洗機由三個主要部分組成： （1）裝載清洗液的不鏽鋼清洗缸 （2）超音波發生器（3）超音波換能器 超音波清洗機具有清潔度高，機器噪音小、設備壽命長等優點。並能對幾何形狀比較複雜，例如有各種盲孔、微孔、深孔等用其他清洗方法難以清洗的零件進行高效清洗。由於具有以上獨特的性能，所以越來越被人們認識和接受。二、 設備特點當超音波清洗機注滿水接通電源後，電路把50赫茲的交流電轉換成超音波頻率的交流電、產生振盪，這種振盪的形成就是通過電感及換能器電容組成諧振電路，並將振盪信號通過反饋持繼不斷地進行下去。經電晶體進行放大後再送給串聯諧振電路。這個諧振頻率在機器出廠前精確地調整在換能器固有諧振頻率上，以發揮換能器最佳效果。 換能器是通過螺柱和強力粘合劑粘結在不鏽鋼清洗槽底面上的，換能器將超音波機械能通過槽底傳施給槽內液體，然後作用於液體中的被清洗工件，從而實現了超音波清洗的功能。 大功率電晶體是工作在開關飽和工作狀態，所以其輸出波形為方形。當方波進入諧振電路後，經電感和電容的濾波後，就成為正弦波，所以實際上作用在換能器上的電流波形，已成為正弦波。 超音波清洗機的超音波電源發生器有兩種，一種是自激電路，另一種是他激電路。自激電路結構簡單、實用、經濟性好；他激電路功率大，具有頻率跟蹤和限流，發熱等多種保護，兩種電路分別適合不同層次企業和更廣泛的客戶需要。三、 使用方法1. 將發生器與清洗槽連線電纜接好。2. 將槽內注入選用的清洗液。3. 將發生器接入220V±10% 50赫茲交流電源。4. 打開發生器電源開關，電源指示燈亮（此時槽內液體開始振動空化）。四、 注意事項1. 為了延長使用壽命，建議將設備放在通風、乾燥的區域，發生器後側的風扇孔應定期清潔。發生器四面留有通風口，以使氣流暢通無阻。2. （1）清洗槽必須放入液體後才能開機工作，最低水位高度>100mm（底振式）且水平放置，換能器在側面時，為清洗槽槽沿100mm處，如在空氣狀態開機會損壞機器。（2）當清洗缸體溫度為常溫時，切勿將高溫液體直接注入缸內，以免導致換能器鬆動而影響機器正常使用 。（3）當清洗液因污染而需要更換時，切勿將低溫液體直接注入高溫缸體內，這同樣可導致換能器脫落，同時應當關閉加熱器開關，以免加熱器因槽內無液體而損壞。（4）定期檢查換能器，切勿使其變潮及撞擊，以免造成不必要的損失。3. 使用完畢後，應關閉總電源。4. 關機後不要立刻重新開機，間隙時間應在1分鐘以上。
