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　　一、超聲波機理概述

　　超聲波是物理介質(zhì)中的一種彈性機械波，它和電、磁、光等同樣是一種物理能量形式。超聲波具有聚束、定向及反射、透射等特性。超聲技術(shù)的應用主要是利用超聲波具有的諸多特性，其中特別突出的是，由于超聲波頻率高、波長短，因而衍射現(xiàn)象不明顯，所以傳播直進性好，方向性強;超聲波引起的介質(zhì)微粒振動可以產(chǎn)生很大的速度和加速度，傳給介質(zhì)微粒的能量比可聽聲音要大得多;固體對超聲波吸收很微弱;在不透明的固體中，超聲波能穿透幾十米的厚度;超聲波碰到雜質(zhì)或介質(zhì)分界面有明顯的反射，能量比較大的超聲波能對介質(zhì)產(chǎn)生很多效應。

　　超聲技術(shù)的用途可分為兩大類，檢測超聲(也稱弱超聲)和功率超聲(也稱強超聲)，二者的主要區(qū)別是介質(zhì)微粒的振動幅度不同，檢測超聲介質(zhì)微粒的振動幅度很小，主要用于采集信息，對物體進行無損檢測;功率超聲則利用能量來改變材料的某些狀態(tài)，需要比較大的功率，如超聲清洗、超聲萃取、超聲乳化、超聲水處理、超聲機械加工等。

　　二、超聲場的基本物理量、物理特性、產(chǎn)生的理化生效應

　　1、超聲場的基本物理量

　　(1)聲壓? 超聲場中某一點在某一時刻具有的壓力與沒有超聲存在時的靜壓力之差稱為聲壓。

　　(2)聲速? 超聲波在彈性介質(zhì)中傳播的速度。

　　(3)聲強? 超聲波的聲強是指在垂直于進行波傳播方向上每平方厘米每秒所傳送的能量。

　　(4)聲功率? 聲功率是反應聲場中總能量關系的一個物理量，平均聲功率是單位時間里通過垂直于聲傳播方向的面積的平均聲能量。

　　(5)聲阻抗? 聲阻抗是指介質(zhì)的特性阻抗。

　　2、超聲場的物理特性

　　(1)反射與折射? 平面聲波傳播到兩種特性阻抗不同的介質(zhì)平面分界面上時，一部分聲波被反射，另一部分被折射到相鄰的介質(zhì)內(nèi)，稱為反射與折射。

　　(2)超聲波的吸收? 聲波在傳遞過程中能量被介質(zhì)吸收，轉(zhuǎn)化為介質(zhì)質(zhì)點的振動能、熱能等，從而導致聲強降低，介質(zhì)吸聲系數(shù)越高，介質(zhì)吸聲效果越好。介質(zhì)分為液體介質(zhì)、氣體介質(zhì)和固體介質(zhì)。

　　(3)干涉的形成? 如果在一種介質(zhì)中有幾個聲波，就會產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象，由于聲波的干涉，在幅照器的周圍將形成一個包括大和小聲強的聲場。

　　(4)駐波聲場? 干涉可以形成駐波場，在每相距二分之一個波長的地方出現(xiàn)振動節(jié)點，這些地方的介質(zhì)為靜止狀態(tài)，在兩個相鄰節(jié)點之間出現(xiàn)振動波峰，也就是介質(zhì)振動幅度為最大值。當兩個完全相同的波從相反的方向傳播時，就會產(chǎn)生駐波。

　　3、超聲場產(chǎn)生的物理、化學、生物效應

　　(1)機械效應? 超聲在傳播過程中，會引發(fā)質(zhì)點的交替壓縮與伸張，構(gòu)成了壓力的變化，引起介質(zhì)質(zhì)點振動的機械效應，其質(zhì)點加速度有時可超過重力加速度數(shù)萬倍，從而對介質(zhì)造成強大的機械效應。

　　(2)熱效應? 由于物質(zhì)的聲吸收特性，超聲能量射入物質(zhì)后，部分超聲能量將轉(zhuǎn)變成熱能，促使物質(zhì)溫度升高。物質(zhì)溫度與聲吸收有著密切的關系。超聲熱效應的機理大致有如下幾方面：a、超聲振動通過介質(zhì)時能量發(fā)生轉(zhuǎn)變;b、介質(zhì)質(zhì)點發(fā)生周期性緊縮，引起溫度增高中心，該中心發(fā)生在超聲波的壓縮相位中;c、在不同種組織分界部分，由于組織分層，介質(zhì)阻抗不同，將產(chǎn)生反射，形成駐波，引起分子間相對運動，產(chǎn)生摩擦而形成熱，這時在與駐波區(qū)相應的位置上就有局部溫度增高。上述諸因素中，介質(zhì)的聲吸收是熱效應產(chǎn)生的主要原因。

　　(3)空化效應? 超聲空化是功率超聲在液體介質(zhì)中引起的一種基本，且又特有的物理過程，超聲空化是這樣產(chǎn)生的：存在于液體中的微氣泡(又稱空化核)在聲場的作用下振動，當聲壓達到一定值時，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時產(chǎn)生沖擊波，然后崩潰，這種微小氣泡振動、膨脹、閉合、崩潰等一系列動力學過程稱為聲空化(Acoustic Cavitation)。超聲空化產(chǎn)生時，在空化發(fā)生的局部可以產(chǎn)生壓力高達上千個大氣壓的巨大壓力，空化泡破裂時還能產(chǎn)生速度大于每秒300米的沖擊波。因而，多年來聲空化現(xiàn)象是超聲學及其應用的一項基礎研究，聲化學是其中一個重要分支。

　　(4)熱解和自由基效應? 聲化學反應時溶液中的有機物產(chǎn)生熱解反應和氧化反應兩種類型的聲化學反應。進入空化泡的水蒸氣在高溫和高壓環(huán)境下發(fā)生分裂和鏈式反應以及聲致自由基反應。疏水性、易揮發(fā)的有機物可進入空化泡內(nèi)進行類似燃燒化學反應的熱解反應;親水性、難揮發(fā)性的有機物在空化泡氣液界面上或在液體中發(fā)生氧化反應。

　　(5)聲流效應? 超聲射入于兩種不同聲阻抗的介質(zhì)界面時，動量發(fā)生變化，產(chǎn)生幅照壓力，對介質(zhì)粒子(如生物細胞或物質(zhì)分子)可產(chǎn)生撕裂并引起聲流，即引起介質(zhì)粒子(生物細胞和物質(zhì)分子)的移動或轉(zhuǎn)動，當這種運動的幅度足夠大時，會引起介質(zhì)粒子損傷(破壁或變型)。

　　(6)傳質(zhì)效應? 超聲波作用時，可使介質(zhì)質(zhì)點處于振動狀態(tài)，從而增強液態(tài)介質(zhì)中質(zhì)點的運動、加速質(zhì)量傳遞作用，從而可提高生物反應或化學反應的速度，這就是超聲對傳質(zhì)的促進作用。

　　(7)觸變效應? 超聲波的作用還會引起生物組織結(jié)合狀態(tài)的改變，如降低粘滯性，造成細胞液變稀，細胞質(zhì)沉淀，這種效應稱為觸變效應。當聲強過高時，觸變效應是不可逆變化，會對組織造成損傷。