超声波热效应的应用研究

　　人耳能直接感受到的声波频率为16～16000Hz,频率低于16Hz的称为次声波，超过16000Hz 的称为超声波。我们通常所用的超声波频率范围为2×10⁴Hz～10⁹Hz。当一定强度的超声波在媒质中传播时，会产生力学、热学、光学、电学和化学等一系列效应。超声是一种机械波，产生以上效应的原因是其具有机械作用、热作用和空化作用等主要物理学作用。

　　机械作用。机械作用是超声的原发效应，也是超声最基本的效应，超声波在传播过程中介质质点交替地压缩与伸张构成了压力变化，压力变化引起了机械效应。超声波是机械能量的传播形式，与波动过程有关，会产生线性效变的振动作用。超声波在介质中传播时，其同质点位移振幅以及超声引起的质点加质点位移振幅虽然很小，但超声引起的质点加速度却非常大。若20KHz、1W/平方厘米的超声波在水中传播，则其产生的声压幅值为173Kpa，这意味着声压幅值每秒种内要在正负173Kpa之间变化2万次，最大质点的加速度达144万米每二次方秒[1]，大约为重力加速度的1500倍，这样激烈而快速变化的机械运动就是功率超声的机械振动效应。

　　空化作用。超声空化就是指液体中的微小气泡核在超声波作用下产生振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速膨胀 ,然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振荡等一系列动力学过程称超声空化[2-4]。超声波的空化作用会导致气泡周围的液体中产生强烈的激波，形成局部点的高温高压，空化泡崩溃时，在空化泡周围极小空间内产生5000K的瞬态高温和约50Mpa 的高压。且温度冷却率达10的9次方K/s，并伴有强烈冲击波和时速达400Km的射流。

　　热作用。超声波在介质中传播时引起质点振动，由于传播介质存在着内摩擦，部分的声波能量会被介质吸收转变为热能从而使介质的温度升高，此为超声的热作用。超声波在介质中传播时，大振幅声波会形成锯齿形波面的周期性激波，在波面处造成很大的压强梯度。振动能量不断被介质吸收转化为热量而使介质温度升高，吸收的能量可升高介质的整体温度和边界外的局部温度等[5-7]。同时，由于超声波的振动，使介质产生强烈的高频振荡，介质间相互摩擦而发热，这种能量能使固体、流体介质温度升高。超声波在穿透两种不同介质的分界面时，温度升高值更大，这是由于分界面上特性阻抗不同，将产生反射，形成驻波引起分子间的相互摩擦而发热[8]。

　　一、超声波的热效应

　　由以上所述可知，超声波的热效应来自于超声空化产生的热和介质吸收声能后转化而产生的热。前者使得介质局部产生高温，后者使得介质整体温度升高。英国学者Victor在研究超声波与物体之间的相互作用时提出，超声波可被观察到的第一直接作用就是超声加热。由于吸收而导致的声能减少部分转化为热存留在介质中，并使介质温度以以下速率开始升高[9]：