超声波技术及应用(I)超声波技术

　　1 超声波的发展史

　　声学作为物理学的一个分支,它是研究声波的发生、传播、接收和效应的一门科学。1893年Golton发现了超声哨子,此时建立了超声波领域。20世纪20年代, R#伍德证实了超声强化物理化学过程的可能性,美国普林斯顿大学化学实验室发现超声波有加速化学反应的作用。但在1940年以前,只有单晶压电材料,这种技术存在许多缺点,使得超声波未能得到广泛应用。20世纪40年代,人们发现了压电多晶材料—钛酸钡压电陶瓷, 50年代,美国贾菲等发现了PbZrO3-PbTiO3(PZT)固溶体系统, 70年代,人们又研制出PLZT透明压电陶瓷。压电材料的发展大大地促进了超声波领域的发展。80年代中期,由于功率超声设备的普及与应用,超声波在化学中的应用研究才迅速展开,形成了一门新兴的交叉学科—声化学。1990年欧洲声化学学会在法国宣告成立,并组织了专题学术交流会。1991年9月在意大利召开了第二次欧洲声化学学会会议,同年美国声学学会121届年会上组织了声化学与声空化的专题讨论会。1991年声化学专著5Practical Sonochemistry6发行,1994年3月声化学杂志5Ultrasonics Sonochemistry6创刊[1]。目前超声波已广泛应用于化学(如分析化学、物理化学、聚合物化学、电化学、光化学、环境化学等[2~5])、医学[6]、食品工业[7~9]、工业焊接[10]、废水处理[11]和材料的改性等方面。大量的文献报道和许多实验结果表明:超声波不仅可以改善反应条件,加快反应速度和提高反应产率[12,13],还可以使一些难以进行的化学反应得以实现。超声波辐射能加速各种有机均相及异相反应,特别是金属参与的反应[14]。近几年来国外学者研究发现超声波能产生核聚变现象,已引起广大学者的极大关注[15]。

　　2 超声波的特点

　　声学全部频率为10^-4Hz~10¹⁴Hz,通常把频率为2x104Hz~109Hz的声波称为超声波。表1是各种频段的声波及其特点。人们习惯上常以工程应用为目的,而不是以听觉为目的,把某些可听声的应用亦列入超声技术的研究范围。因此,在实际应用中,有些超声技术使用的频率可能在16 kHz以下,而超声波频率的上限是109Hz,整个频率范围相当宽,占据声学全部频率范围的1/2以上。

　　超声波作为声波的一部分,遵循声波传播的基本规律。但超声波也有与可听声不同的一些突出的特点:①超声波由于频率可以很高,因而传播的方向性较强,设备的几何尺寸较小;②超声波传播过程中,介质质点振动加速度非常大;③在液体介质中,当超声波的强度达到一定值后会产生空化现象。正是这些特点决定了超声波具有与可听声(声波)不同的特点,因此在各种领域中都有相当广泛的用途。