超声清洗及其空化理论的新进展

新进展

2002年9月渭南师范学院学报Sept.2002　　　　　　　　　　第17卷第5期　　　　　　　　　　JournalofWeinanTeachersCollegeVol.17　No.5

超声清洗及其空化理论的新进展

孟振庭

(渭南师范学院物理系,陕西渭南)

摘　要:,趋势,一是朝高频方向发展,,,进一步涉及到生物作用、化学作用、光学作用和治癌、做手术等领域.

关键词:超声;超声清洗;中图分类号文章编号:1009—5128(2002)05—0020—02

NewofUltrasonicCleaningandItsCavitationTheory

MENGZhen2ting

(DepartmentofPhysics,WeinanTeachersCollege,714000Weinan,China)

Abstract:Ultrasoniccleaninganditscavitationtheoryisapermanentandever2developingtopicofresearch.Inoveronedecade,thetwotrendsofdevelopmentin

theequipmentultrasoniccleaningaretowardshighfrequencyandmulti2tankmodelandsinglechain.ThestudyofUltrasoniecavitationbecomesmvolveelinbiology、chemistry、opticsandmexicalfreatmentforcancerandsoon.

KeyWords:ultrasound;vltrasoniccleaning;ultrasoniccavitation

伴随1876年F Galton气哨的吹响,一门崭新的超声科学宣告诞生.为了避免震惊全世界而于1921年首航便因碰撞冰山而沉没的Titanic号豪华客轮事件再次发生,科学家开始了用超声方法探测冰山、暗礁以及后来的侦察德国潜艇的紧张研究活动.1927年,随着R.W.Wood和A.E.Loomis关于石英超声换能器随近鱼类会被杀死的现象及其超声能量作用的实验报告的发表,从而为功率超声学这门超声分支学科奠定了基础.

1　功率超声的空化机理

空化是液体中特有的超声物理现象,其理论和实验研究已证实,超声空化是液体中由于涡流或超声的物理作用,在液体内的某一区域会形成局部的暂时的负压区,于是在液体中产生空穴或气泡,这些充有蒸气或空气的气泡处于非稳定状态,当它们突然闭合时,会产生激波,因而在局部微小区域产生很大很大的压力,从而把聚集起来的声场能量在液体中极小

7的空间内迅速释放出来,形成异乎寻常的高温(可高达5000K以上)、高压(可高达5×10pa)以及强冲击波和射流等极端的

物理条件.

空化效应在水声等方面有着极大的消极和破坏作用.例如空化作用会使螺旋浆发出剧烈的声响,减少螺旋浆的推力等.但利用超声空化效应,能使两种不相溶的液体乳化,能破碎生物细胞,能焊接金属和塑料,能为铝制品搪锡等,特别是空化在超声清洗中的特殊作用,使超声清洗成了功率超声最为广泛的应用领域.

2　超声清洗的最新进展

超声清洗就是利用超声换能器向清洗液中辐射的超声液,对浸在液体中零部件的表面污物进行的清洗,其作用机理主要就是超声的空化作用.当液体中的空化核(即微气泡)在声场的作用下振动达一定值时,气泡将迅速增长然后突然闭合,这时闭合产生的激波在周围将产生上千个大气压力,这些强冲击波将会破坏污物在零部件表面的吸附,引起污物层的疲劳,有的气泡还能“钻入”污物裂缝使之振动,从而引起污层脱落,达到清洗的目的.

根据超声清洗的空化作用原理,一般超声清洗设备都做成槽式装置,如图1所示.换能器通过槽壁向槽中的清洗液发收稿日期:2002—04—29

基金项目:陕西省教育厅专项科研基金资助项目(00JK156)

),男,陕西韩城人,渭南师范学院物理系副教授.作者简介:孟振庭(1947—

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2002年第5期　　　　　　　　　　孟振庭:超声清洗及其空化理论的新进展　　　　　　　　　　　　　　　　 21 射超声波,从而对零部件进行清洗.

随着机械工业、电子工业、光学工业、医药工业、核工业、

航天工业等对超声清洗的广泛应用,特别是像超大硅片、超

细管道、超洁镜面、超微晶体管等高精度材料的清洗,这就给

超声清洗提出了更新更高的要求.大量的实验证明,如果用

传统的低频单缸清洗机对这些材料和零件进行清洗,则不是

清洗的洁净度达不到要求,就是因为长时间的清洗而损坏被

清洗的材料和零部件.试验表明,若采用高频超声波和多缸

式清洗机则能达到良好的效果,近十几年来,超声清洗设备

厂家不断推出许多新型的高效节能清洗设备,其总的发展趋

势就是朝着这两个方向迅速发展的,展,一个是朝多缸式、传动链式、.例如,50%,传动链式自动清洗机占48%,2、多缸式、传动链.

,目前还没有定量的关系式,这是一项最值得研究的新课题.:,所需的超声波频率愈高;被清洗件的厚度愈薄,所需的超声波的频率愈高.3　超声空化机理的最新研究

近20多年来,超声空化机理不仅更深入地应用于超声清洗、超声加工、超声焊接、超声检测、超声诊断、超声乳化、超声粉碎诸多方面,而且进一步在生物学、光学、化学等方面开拓出许许多多的新领域.

(1)超声空化的生物作用研究.由于生体内含有大量的液体,理论和实验都证明,这些生物,包括哺乳动物组织中的液

2体中都含有空化核,这些空化核在几百WΠcm以上的超声波作用下,会发出空化作用,这一空化作用将会产生局部的生物

效应,破坏损伤靠近爆炸空腔周围的少量细胞.这一空化生物机理对胎儿B超诊断的安全性提出了重大的质疑.研究表明,当诊断超声波长时间定点照射早期妊娠子宫或胎儿时,就会引起绒毛组织或胎儿本身组织超微结构的变化.当然这个时间的域值究竟是多长,还有待于进一步的研究.

(2)超声空化的化学作用研究.由于超声的空化作用,在化学进程中会产生一些热点,这样就为加速化学反应和开启新的反应通道提供新的空间和条件.例如,将超声作用于烯烃与氢反应中的镍粉催化剂上时,由于空化作用,可使反应速度提高100万倍.将超声作用于难以活化的多相体系中,超声空化作用可以把有机或无机化合物添加到无机固体基质的原子层中,使添加速度提高200多倍.

(3)超声空化的光学作用研究.美国科学家Crum,Barber和Putterman前几年在研究单泡空化声致发光时,发现了一系列

14的新奇现象。例如由原子分子发出的蓝光(频率为8×10Hz)的光子能量本来只有3eV,而产生声致发光的典型声压为

1atm,对应于每个原子区域的能量高达1.08×10eV,这表明声致发光包含了大约10量级的放大或聚焦过程.这一放大过

10程比同位素裂变释放的能量放大倍数0.8×10

还大1个量级.可见空化对发光的作用之大.1011

(4)超声空化治癌作用研究.20世纪90年代新兴起的高强聚集超声技术(HIFU)在临床治疗癌方面取得了令人振奋的

2效果.它是将超声波束在人体外施以聚焦,使高达几千到几万WΠcm的能量定位在癌变组织上,由于空化作用,可使癌变组

织在0.5～5秒内升温,蛋白热固化而致癌变组织坏死.

(5)超声空化手术刀研究.超声手术刀是通过变幅杆将几十千赫兹的超声波作用到待切除的人体组织上.由于超声的空化作用具有明显的选择性,因此大大加快了手术速度并且减少了术中出血.

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[责任编辑　牛怀岗]

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