一、超聲波機(jī)理概述
超聲波是物理介質(zhì)中的一種彈性機(jī)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(yīng)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(jìn)性好，方向性強(qiáng)；超聲波引起的介質(zhì)微粒振動(dòng)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(duì)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(duì)介質(zhì)產(chǎn)生很多特有的效應(yīng)。
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(qiáng)超聲），二者的主要區(qū)別是介質(zhì)微粒的振動(dòng)幅度不同，檢測超聲介質(zhì)微粒的振動(dòng)幅度很小，主要用于采集信息，對(duì)物體進(jìn)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(jī)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(yīng)
1、超聲場的基本物理量
�。�1）聲壓? 超聲場中某一點(diǎn)在某一時(shí)刻具有的壓力與沒有超聲存在時(shí)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(qiáng)? 超聲波的聲強(qiáng)是指在垂直于進(jìn)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(yīng)聲場中總能量關(guān)系的一個(gè)物理量，平均聲功率是單位時(shí)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(shí)，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(diǎn)的振動(dòng)能、熱能等，從而導(dǎo)致聲強(qiáng)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(gè)聲波，就會(huì)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(gè)包括最大和最小聲強(qiáng)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(gè)波長的地方出現(xiàn)振動(dòng)節(jié)點(diǎn)，這些地方的介質(zhì)為靜止?fàn)顟B(tài)，在兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間出現(xiàn)振動(dòng)波峰，也就是介質(zhì)振動(dòng)幅度為最大值。當(dāng)兩個(gè)完全相同的波從相反的方向傳播時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生駐波。
3、超聲場產(chǎn)生的物理、化學(xué)、生物效應(yīng)
�。�1）機(jī)械效應(yīng)? 超聲在傳播過程中，會(huì)引發(fā)質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)振動(dòng)的機(jī)械效應(yīng)，其質(zhì)點(diǎn)加速度有時(shí)可超過重力加速度數(shù)萬倍，從而對(duì)介質(zhì)造成強(qiáng)大的機(jī)械效應(yīng)。
�。�2）熱效應(yīng)? 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(guān)系。超聲熱效應(yīng)的機(jī)理大致有如下幾方面：a、超聲振動(dòng)通過介質(zhì)時(shí)能量發(fā)生轉(zhuǎn)變；b、介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)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(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生摩擦而形成熱，這時(shí)在與駐波區(qū)相應(yīng)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(yīng)產(chǎn)生的主要原因。
�。�3）空化效應(yīng)? 超聲空化是功率超聲在液體介質(zhì)中引起的一種最基本，且又最特有的物理過程，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(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，最終崩潰，這種微小氣泡振動(dòng)、膨脹、閉合、崩潰等一系列動(dòng)力學(xué)過程稱為聲空化（Acoustic Cavitation）。超聲空化產(chǎn)生時(shí)，在空化發(fā)生的局部可以產(chǎn)生壓力高達(dá)上千個(gè)大氣壓的巨大壓力，空化泡破裂時(shí)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(xué)及其應(yīng)用的一項(xiàng)基礎(chǔ)研究，聲化學(xué)是其中一個(gè)重要分支。
�。�4）熱解和自由基效應(yīng)? 聲化學(xué)反應(yīng)時(shí)溶液中的有機(jī)物產(chǎn)生熱解反應(yīng)和氧化反應(yīng)兩種類型的聲化學(xué)反應(yīng)。進(jìn)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?zhǔn)椒磻?yīng)以及聲致自由基反應(yīng)。疏水性、易揮發(fā)的有機(jī)物可進(jìn)入空化泡內(nèi)進(jìn)行類似燃燒化學(xué)反應(yīng)的熱解反應(yīng)；親水性、難揮發(fā)性的有機(jī)物在空化泡氣液界面上或在液體中發(fā)生氧化反應(yīng)。
（5）聲流效應(yīng)? 超聲射入于兩種不同聲阻抗的介質(zhì)界面時(shí)，動(dòng)量發(fā)生變化，產(chǎn)生幅照壓力，對(duì)介質(zhì)粒子（如生物細(xì)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(xì)胞和物質(zhì)分子）的移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)這種運(yùn)動(dòng)的幅度足夠大時(shí)，會(huì)引起介質(zhì)粒子損傷（破壁或變型）。
�。�6）傳質(zhì)效應(yīng)? 超聲波作用時(shí)，可使介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)處于振動(dòng)狀態(tài)，從而增強(qiáng)液態(tài)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)、加速質(zhì)量傳遞作用，從而可提高生物反應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)的速度，這就是超聲對(duì)傳質(zhì)的促進(jìn)作用。
�。�7）觸變效應(yīng)? 超聲波的作用還會(huì)引起生物組織結(jié)合狀態(tài)的改變，如降低粘滯性，造成細(xì)胞液變稀，細(xì)胞質(zhì)沉淀，這種效應(yīng)稱為觸變效應(yīng)。當(dāng)聲強(qiáng)過高時(shí)，觸變效應(yīng)是不可逆變化，會(huì)對(duì)組織造成損傷。