超声波及其特性

出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《特种加工手册》第224页（2744字）

4．1．1．1 超声波的产生

声波与光波、电磁波一样，都是因物体在介质(如水、空气、固体等)中发生振动，介质各点之间存在弹性联系，引起相邻各点的振动从而形成的纵波．如表4-1所示．超声波是频率在2×10⁴～10⁸Hz的波．

表4-1 声波分类

超声波由压电晶片(如石英、钛酸钡、锆钛酸铅等)之逆压电效应产生．

如图4-1所示．当压电晶片受到某一规律的压缩和拉伸时(晶片厚薄亦产生规律变化)，在晶片两面产生相同电压变化，称为正压电效应；反之，把某一规律变化的电压加在压电晶体片两面上，它就作相应机械振动，称逆压电效应．

图4-1 正压电效应

当压电晶片受到来自高频(>20kHz)发生器的高频电压作用而发生逆压电效应时，晶片在其厚度方向发生变薄及变厚的振动，晶片周围介质点亦相应振动，此振动在介质中传播，即形成超声波．

4．1．1．2 超声波的特性

超声波和声波一样，可以在气体、液体和固体介质中传播．在不同介质中，超声波传播速度(c)不同．例如：c_空气=331m／s，c_水=1430m／s，c_铁=5850m／s．波速c与波长λ、频率f的关系为

c=λf (4-1)

超声波除去具备一般声波的反射、折射作用之外，还具有透射作用、热作用、机械作用及空化作用．这里主要介绍超声波的机械作用及空化作用．

(1)机械作用 主要由辐射压强和超声压强引起．

①辐射压强．当超声波入射到两种介质的界面时，无论超声波是被反射或是被吸收，在界面处将产生一稳定的沿传播方向的静压强，称辐射压强．

辐射压强将引起两种后果．其一是引起简单的骚动效应，即当强超声束通过液体时，液体起沸，产生强烈的骚动；其二是引起溶剂与悬浮体之间的摩擦．由于辐射压强给予溶剂和悬浮体以不同的加速度，即溶剂分子速度远大于悬浮体速度，从而产生摩擦．

②超声压强．当超声在介质中传播时，波线上任何处交替出现正压和负压，从而以压缩波形式产生的压强，称为超声压强．

辐射压强和超声压强，造成超声波对其传播方向上障碍物的压力，因此，可以用这个压力的大小表示超声波的强度．传播的波动能量越强，则压力也越大．

振动能量的强弱，可用能量强度衡量，所谓能量强度是指通过垂直于波的传播方向的单位面积上的能量，以J(W／cm²)表示．

式中：ρ——弹性介质的密度(kg／m³)；

c——弹性介质中的波速(m／s)；

A——振动的振幅(mm)；

ω——圆频率，ω=2πf(rad／s)．

因为超声波频率(f)很高，所以其能量强度可达几十～几百W／cm²．

(2)空化作用 当超声波经过液体介质传播时，将以很高的频率压迫液体质点振动，在液体介质中连续地形成压缩和稀疏区域，由此产生液压冲击及空化作用．这一过程时间极短，液体空腔闭合压力可达几个MPa，故具爆炸特性，并产生巨大的水压冲击．这一脉冲压力作用在邻近的零件表面上会使其破坏，引起固体物质分散、破碎等效应．

空化作用包含稳定空化和瞬间空化．

①稳定空化．原溶于液体内部的气体在超声机械振动作用下，向原存在于液体中的“亚显微气泡”中定向扩散．气泡不断增大，当大到与超声波长差不多时，形成共振腔，产生共振．共振振幅可大于入射波振幅几个数量级．系统共振频率为

式中：r₀——气泡半径；

γ——比热比；

p₀——液体静压强；

σ——表面张力；

ρ——液体密度．

上述过程称稳定空化．在液体内部，这种气泡大振幅振动，将产生两种后果．

其一是在液体中产生相对振荡运动，周围液体中形成冲流，局部产生高的速度梯度，足以令工件表面破坏．

其二是因剧烈振荡，气体在微小气泡中压缩，局部产生极高的温度和压强突变——电离，以致将具有高度化学活性的自由基群以高浓度向周围液体放出，这点与电离作用相似．已经证明：由于水的超声空化引起的自由基的释放率，可高达吸收剂量为100GY／min时产生的释放率(GY被定义为：1kg质量吸收1J的能量)．

②瞬间空化(或崩溃空化)．如图4-2．当声压峰值pm比静压强p₀(一般接近0．1MPa)大时，在液内某一区域压强的瞬时值出现负值时刻，引起气体破碎性爆炸，发生空洞，此即称为瞬时空化．当压强瞬时值返为正值时，空洞崩溃，瞬时液体发生碰撞而急剧停止(伴声爆)，产生正压强脉冲，数值由零点几兆帕到几百兆帕．

图4-2 空化说明