超声波对石英晶体微天平响应性能的影响

　　0 引言

　　超声波是指频率在 20 kHz~10⁶Hz 的机械波，是一种波动形式，又是一种能量形式。 超声波在空气中衰减较快，而在固体、液体中的衰减却很小，由于频率高、波长短，具有方向性好、功率大、穿透力强的特点，在传播过程中与媒介相互作用产生超声效应。 超声波与媒介的相互作用可分为机械作用、空化作用和热作用。 近年来，随着超声波技术的日益发展与成熟， 其在新材料合成、化学反应、传递过程的强化以及废水处理等领域得到了广泛的应用^{[ 1 ~ 3 ]。} 此外，超声清洗也是常见的清洗方法，其原理是利用超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡，存在于液体中的微小气泡在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡迅速增长，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压的压力，破坏不溶性污物而使它们分散乳化于清洗液中，从而达到清洗件表面净化的目的。

　　该文的最初目的是利用石英晶体微天平(quartz crystal microbalance, QCM) 测定固体表面的油污在超声清洗过程中的质量变化，但在实验中发现超声波对 QCM 的响应特性存在一定的影响，如在 QCM 的阻抗-频率曲线上叠加了很多毛刺，抬升了 QCM 响应信号的噪音水平，降低了传感器的检测灵敏度。 为了能够将 QCM 应用于存在超声波的溶液环境中，该文对这种影响进行了研究， 探讨了超声波的影响机制和消除方法，为QCM 在超声场环境中更好的应用提供有价值的信息。 结果表明，由于所用超声波的频率比 QCM的谐振频率低得多， 对 QCM 的厚度剪切模式的谐振本身无影响， 但对 QCM 产生的纵波的传播和反射条件有明显的影响。 采取有效的消除纵波干扰的措施后， 超声波对 QCM 响应特性的影响大为降低， 使 QCM 能在超声波存在的环境中应用。 作为一个模型应用体系，该文以 QCM 监测了油性膜与非离子表面活性剂 TX-100 溶液相互作用过程中的质量与粘度的动态变化，表明所建方法的可靠性。

　　1 实验部分

　　测试超声波对 QCM 影响的实验装置示于图1，所用石英晶体为 AT-切型，基频 5 000 kHz，晶片直径 12 mm(北京晨晶公司)。 晶片两面喷镀直径为 6 mm 的银膜激励电极， 两个激励电极通过屏蔽导线与高频阻抗分析仪(4294A 型，Agilent 公司)的测量端相连，并用 VB 编写的用户程序进行数据采集和分析。 用作检测池的烧杯用 AB 胶固定在超声波清洗器(KQ-500DB，频率 22.5 kHz，超声功率 40 W，昆山市超声仪器有限公司)的池底上， 石英晶片通过引线电极架浸入测试溶液中。在晶片的两侧安放两个纵波消除器，它们是固定在有机玻璃板(厚度 1.5 mm)上的玻璃毛细管(外径 1 mm)阵列，毛细管长度参差不齐以扰乱纵波的有规则反射。